[신경과학] 7.4 : MRI, PET, fMRI

 

 

이번 포스트에서는 뇌를 보기 위해 사용 가능한 MRI, PET, fMRI 기법들에 대해 간단히 알아보자.

 

 

 

 

MRI를 이용하면 위와 같이 뇌를 관찰 가능함. 이 때 MRI를 이용하면 비침투적으로 imaging을 수행할 수 있음.

 

 

 

 

MRI의 경우 수소 원자핵에서 방출되는 energy를 통해 수소가 포함된 물 등의 분자 위치를 추적하는 방식으로 작동함. 이 때 거대한 자기장을 걸어주게 되면 이 안에 들어간 H 원자 spin도 여기에 맞게 재배치되게 될 것임. 이후 pulse를 넣어준 다음에 다시 모든 pulse를 다 꺼주게 되면 수소가 돌아가게 될텐데 이 때 나오는 energy를 detect하게 되는 것임.

 

 

 

 

위 그림을 보면 실제로 뇌의 단면을 자를 시 보이는 회색질, 백색질이 나타남, 이러한 구조를 MRI를 이용해 볼 수 있음. 이 밖에, MRI를 활용할 시 방사선의 영향으로부터 자유로우며, 둘러쌓인 부분 또한 잘 detect할 수 있다는 장점이 있음.

 

 

+) MRI 장비에서 1T, 2T, 4T와 같은 식으로 power가 높아지면 어떤 장점이 있을까. (일단 이정도로 자기장이 세져도 건강상에 유의미한 위해는 가해지지 않음) 이 경우 실제로 볼 수 있는 생체 내 resolution은 훨씬 더 높아짐. (이는 fMRI도 마찬가지) 주로 낮은 자기장 세기에서의 MRI는 brain structure를 보는 것이고 높은 자기장 세기에서의 MRI는 주로 functional MRI를 위해 사용되게 됨. (이 때 먼저 찍은 structural MRI image는 fMRI의 reference 역할을 할 수 있음) 이 때 detecting하는 대상이 수소에서 oxyhemoglobin으로 달라질 시 frequency도 바꾸어 측정하게 됨.

 

 

 

 

 

PET은 positron emission tomography이며 위 그림에 나타난 분들에 의해 개발됨.

 

PET은 뇌의 대사활동을 측정하는데 아주 유용하게 사용될 수 있음.

 

 

 

 

이 경우 방사성을 띄는 FDG가 혈류로 주입되게 됨. 이후 이 녀석이 뇌 안에 들어간 뒤 효소에 의해 이 녀석이 인산화되어 변형되게 되면 이 녀석들이 떠나지 못하고 neuron에 축적됨. 그 결과 이 녀석이 neuron 대사활동의 정도를 indicate하게 되는 것. 이 때 방사성 FDG는 양전자와 부딛히면서 소멸하는 과정에서 광자를 방출하게 되는데, 이것이 detection될 수 있게 됨. (더 구체적으로는 전자, 즉 gamma ray가 운동량 보존법칙에 의해 양 방향으로 방출되게 됨. 이 때 이를 위와 같은 대칭적인 장비로 detect해서 결과적으로 neuronal metabolism activity를 측정할 수 있게 되는 것임. 다만 이 장비의 경우에도 단점은 있는데, 공간해상도가 그다지 좋지 않음. 따라서 수 천개 cell의 pattern을 한번에 보여줄 수 밖에 없음. 그 밖에 방사성을 띄는 물질을 사용했을 때 발생할 수 있는 여러 가지 우려사항들도 있음.

 

 

이 단점을 보완해준 것이 fMRI(functional magnetic resonance imaging)임.

 

 

 

이 경우 oxyhemoglobin과 deoxygemoglobin의 ratio를 비교해 imaging을 수행하게 됨. (산소가 많이 전달되는 곳을 detecting해서 간접적으로 활성화된 부분을 보는 것) 그 결과 공간해상도가 상당히 높아짐. 그럼에도 뇌파 신호 측정법은 아니므로 신경세포 활성을 직접 측정하지는 못한다는 한계가 있음. 그리고 시간해상도도 좋지 않음. (이 경우 사실 oxyhemoglobin을 detecting하는 것이므로 H를 detecting하는 것에 비해 resolution이 좋지는 않음)

 

 

이 밖에 이들 장비들 모두는 freely moving시킬 수 없다는 단점이 있음. 즉, 일상 생활을 할 때의 뇌 양상을 imaging하는 것은 불가능함. 이 단점을 해소하고자, resolution은 낮지만 wearable하게 뇌 활성을 볼 수 있는 EEG, fNIRS 등도 존재함.

 

 

 

다음 포스트부터는 화학적 감각(chemical sense)을 우리가 어떻게 인식할 수 있는지에 대해 알아보도록 하자.