지금 이 순간에도 우리의 뇌는 바쁘게 움직이고 있다. 하지만 구체적으로 뇌의 어떤 영역이 어떻게 움직이는지 외부에서 볼 수는 없으며, 자기 자신도 인식하지 못한다. 그러한 뇌의 활동을 상처를 내지 않고 측정해서 영상화하는 기법이 있다. 바로 '기능적 자기 공명 영상(fMRI: functional Magnetic Resonance Imaging)'이다. 지금 fMRI는 뇌 연구와 의료 현장에 널리 보급되어 있다. fMRI의 기본적인 메커니즘에 대해 알아보자.
0. 목차
- 몸에 상처를 내지 않고 뇌의 활동을 측정하고 싶다.
- MRI의 메커니즘
- 부드러운 조직이나 뼈로 둘러싸인 세포도 촬영할 수 있다.
- fMRI는 어떻게 개발되었을까?
- 뇌의 기능 지도 외에도 다양하게 응용된다.
- fMRI와 MEG의 측정 결과를 통합한다.
1. 몸에 상처를 내지 않고 뇌의 활동을 측정하고 싶다.
우리가 어떤 일을 생각하고 과거의 기억을 떠올리며 몸을 움직일 수 있는 것은 뇌의 활동 덕분이다. 뇌의 활동이란 구체적으로는 뇌의 '신경 세포(Neuron)'을 활동을 가리킨다. 성인의 뇌 속에는 약 1000억 개의 신경 세포가 있는 것으로 추정되며, 서로 연결되어 복잡한 네트워크를 만든다. 그 네트워크를 통해 전기나 화학 물질의 신호를 주고받는 것이 뇌 활동의 본질이다. 하지만 이것만으로는 뇌 활동의 비밀을 걷어내지 못한다. 과학자가 구체적인 뇌의 활동에 대해 알고 싶다면 뇌의 활동을 측정해야 한다. 그러면 어떻게 해야 뇌의 활동을 측정할 수 있을까?
실험동물의 경우에는 두개골에 구멍을 내고 뇌에 직접 '전극(Electrode)'을 달아 뇌의 전기적인 신호를 측정할 수 있다. 하지만 인간의 경우에는 그렇게 할 수 없다. 인간의 뇌에 전극을 달 수 있는 기회는 뇌에 어떤 이상이 있어 수술이 필요한 경우 등에 국한될 것이다. 한편, 뇌파의 측정은 오래전부터 이루어졌다. '뇌파(Brain Wave)'란 뇌 속의 신경 세포가 활동하면서 발산하는 전파를 말한다. '뇌파'는 두피 위에 붙여 놓은 전극으로 전기적 신호를 포착해 기록할 수 있다. 뇌파의 측정은 몸에 상처를 내지 않다고 할 수 있다는 점에서 매우 의미가 있지만, 뇌의 활동을 부위별로 구별하기 어렵다는 문제가 있다. '몸에 상처를 내지 않는다는 점'과 어느 정도 이상의 '공간 분해 능력(떨어져 있는 두 곳을 구분해서 식별하는 정밀도)'으로 뇌의 활동을 측정할 수 있다는 점, 이 두 가지 조건을 충족시키는 기법으로 보급된 것이 '기능적 자기 공명 영상(fMRI: functional Magnetic Resonance Imaging)'이다.
2. MRI의 메커니즘
fMRI는 'functional(기능적인)', 'Magnetic(자기의)', 'Resonanace(공명)", 'Imaging(영상)'이라는 뜻을 가지고 있다. 원래 'MRI(Magnetic Resonance Imaging)'라고 불리는 '몸의 내부 구조를 볼 수 있는 기법'이 있었다. 이것을 응용해 뇌의 구조뿐만 아니라, 뇌의 작용까지 측정할 수 있게 한 것이 fMRI이다. 그러니 먼저 MRI의 메커니즘부터 살펴보기로 하자.
MRI는 'NMR(Nuclear Magnetic Resonance)'라는 현상을 이용해 인체 내부의 구조를 촬영한다. 'Nuclear(원자핵의)'라는 이름대로, NMR의 주역은 '원자핵'이다. '원자핵(Atomic Nucleus)'이란 원자의 중심에 있는 입자로, 양전기를 띤 '양성자(Proton)'과 전기적으로 중성인 '중성자(Neutron)'가 모여 이루어진다. 따라서 원자핵 전체로는 양전기를 띄고 있다.
그런데 원자핵은 '스핀'이라는 성질을 가지고 있다. '스핀(Spin)'이란 '자전(Rotation)'과 비슷한 성질로, 원자핵이 팽이처럼 회전한다고 생각한다고 대략 이해할 수 있다. 단, 실제로 자전하는 것은 아니다. 스핀에 의해 원자핵은 자기장을 띠며, 그 자기장은 막대자석과 비슷한 것이 된다. 결국 모든 물질에는 원자핵이라는 무수히 많은 막대자석이 포함되어 있다고 생각할 수 있다. 그리고 일반적인 상태에서는 몸을 구성하는 물질의 원자핵의 막대자석의 방향은 각각의 원자핵에 따라 모두 다르다. 여기까지가 NMR의 'N(Nuclear)'과 'M(Magnetic)'의 설명이다.
2-1. 자기장을 건다
일정한 방향으로 '자기장(Magnetic Field)'을 걸면, 원자핵의 막대자석도 자기장의 방향과 거의 평행한 방향으로 정렬한다. 방위 자석의 바늘이 지구 자기장의 영향을 받아 남북 방향을 가리키는 것과 비슷하다. 그리고 자기장을 받은 원자핵은 팽이가 회전하는 것과 같은 '세차 운동'을 시작한다. '세차 운동(Precessional Motion)'이란 회전은 '강체(외력을 가해도 크기나 형태가 변하지 않는 이상적인 물체)'의 '회전축(Axis of Rotation)'이 변하는 운동으로, 회전하는 물체가 흔들리는 현상을 말한다. '세차 운동'이 1초에 몇 차례 일어나는지는 '원자핵의 종류'와 걸리는 '자기장의 세기'로 정해진다. 단 세차운동의 타이밍은 일치되어 있지 않다.
2-2. 특수한 전자기파를 비추면 공명한다.
최초에 걸린 일정한 방향의 자기장에 대해 수직인 방향에서 '세차 운동의 주파수'와 일치하는 주파수의 전자기파를 비추면, 각각의 원자핵의 막대자석이 옆으로 쓰러진다. 그리고 '세차 운동(Precessional Motion)'의 타이밍도 일치하게 된다. 이것을 '공명(Resonance)'라고 하며, 여기까지가 NMR의 'R(Resonance)'의 설명이다.
또 세차 운동이 공명하면, 1개의 커다란 막대자석이 회전 운동을 하고 있는 듯한 상태를 보인다. 그 결과, 근처에 코일을 두면 전류가 발생한다.
2-3. 특수한 전자기파를 멈추면 원래 상태로 돌아간다.
원래는 모두가 달랐던 막대자석의 세차 운동이 공명한 상태는 마치 하나의 커다란 막대자석이 회전 운동을 하는 것과 같은 상태로 간주된다. 자석이 회전 운동을 하면 근처에 놓인 코일에 전류가 흐른다. 이것은 '전자기 유도(Electromagnatic Induction)'라는 현상이다. NMR의 경우도 마찬가지이며, 이 전류를 'NMR 신호(NMR Signal)'라고 한다.
이 상태에서 최초의 자기장에 대해 수직 방향의 전자기파를 멈추면, 원자핵의 막대자석의 방향은 최초에 걸린 자기장의 방향으로 되돌아간다. 그리고 세차 운동의 공명이 무너져 'NMR 신호'가 약해진다. 이처럼 전자기파를 흡수하여 들뜬 상태가 된 원자핵이 이완 과정을 거쳐 바닥상태로 되돌아가서 평형 상태로 회복되는 것을 'NMR 이완(NMR Relaxation)'이라고 한다. 중요한 점은 '공명 상태가 무너지는 속도(원래 상태로 돌아가는 속도)'는 근육이나 뼈, 물 등 몸의 각 부위를 구성하는 물질에 따라 다르다는 것이다. 따라서 'NMR 신호'가 공명 상태에서 벗어나 약해지는 모양을 부위별로 측정해, 그 차이를 영상화하면 몸 내부 구조를 들여다볼 수 있다.
일반적인 MRI에서는 '수소 원자핵'의 NMR 신호를 검출한다. '수소'는 물의 구성 요소이며 몸의 각 부위의 조직에도 포함되어 있기 때문에, 측정 대상으로 가장 적합하다. 한편, 뒤에서 설명할 fMRI에서는 '수소(Hydrogen)' 대신 '산소(Oxygen)'를 측정 대상으로 한다.
3. 부드러운 조직이나 뼈로 둘러싸인 세포도 촬영할 수 있다.
MRI가 우수한 이유는 '몸에 상처를 내지 않고 처리한다는 점', '공간 분해 능력이 어느 정도 높다는 점' 외에 '뼈에 방해받지 않고 내부 구조를 볼 수 있다는 점'도 있다. 예컨대 X선을 이용하는 '컴퓨터 단층 촬영(CT: Computed Tomography)'이라는 기법은 몸속의 구조를 촬영하는 방법으로 MRI와 비슷하게 작동한다. X선 CT는 뼈 등의 딱딱한 조직의 촬영에 적합한데, 역으로 말하면 뇌처럼 부드러운 조직은 촬영하기 어렵다. MRI는 물을 포함한 부드러운 조직의 촬영에 뛰어나며, 또 MRI에서 이용되는 자기 현상은 뼈의 방해를 받지 않아 뇌와 같은 내부 조직의 촬영에서 위력을 발휘한다.
4. fMRI는 어떻게 개발되었을까?
4-1. 헤모글로빈과 산소의 신기한 관계
MRI가 개발된 것은 1970년대의 일이다. 미국의 '벨 연구소(Bell Labs)'에 근무하던 '오가와 세이지(小川 誠二, 1934~)' 박사는 1980년대에 MRI로 신체 내부를 촬영하는 데 그치지 않고, 몸에서 일어나는 어떤 변화를 포착할 수 있지 않을까 생각해 연구를 거듭했다고 한다. '오가와 세이지(小川 誠二)' 박사 등의 그룹은 쥐를 이용해 실험을 하고 있었다. 어느 날, 쥐의 뇌를 MRI로 촬영했더니 마취 효과가 지나쳤든지 때마침 쥐가 산소 결핍 상태에 빠져 있었다. 그래서 급히 산소를 공급하자 MRI 영상이 한순간 변했다고 한다. 뇌의 구조는 변하지 않았는데 MRI 영상은 어떤 변화를 포착한 것이다. 이 변화에 산소가 관여했음은 분명했다.
폐에서 흡수된 산소는 적혈구 속에 많이 포함되어 있는 '헤모글로빈(Hemoglobin)'이라는 단백질과 결합한 상태로 몸의 각 부위에 전해진다. 그리고 산소의 농도가 낮은 곳에 이르면 '헤모글로빈'에서 산소가 분리된다. '산소가 분리된 헤모글로빈'은 자기장 속에서는 자기력을 띠어 조그만 자석처럼 움직이는 성질이 있다. 반대로 '산소와 결합한 헤모글로빈'은 그러한 성질이 약하다. 산소 결핍 상태가 되어 헤모글로빈이 자석처럼 움직이면, 그 주위에 있는 물질을 구성하는 수소 원자핵의 공명 상태가 교란되기 쉬워지기 때문에 NMR 신호도 약해진다.
한편, 산소가 공급되면 '산소와 결합한 헤모글로빈'을 가득 품은 적혈구가 뇌에 도착하고, 산소와 분리된 헤모글로빈이 많은 적혈구는 혈류를 통해 뇌에서 빠져나간다. 그러면 자석처럼 움직이는 헤모글로빈이 줄어 NMR 신호가 강해진다. 그 결과, 쥐의 뇌의 MRI 영상에 변화가 나타난 것이다. 산소의 수요·공급의 균형이 영상에 변화를 가져온 것이다.
| - | 산소 농도가 낮아지면 | 산소가 농도가 높아지면 |
| 헤모글로빈 | 산소가 분리된 헤모글로빈 | 산소가 결합된 헤모글로빈 |
| 자기력 | 자기력을 띠어 조그만 자석처럼 움직이는 성질이 있음 | 자기력을 띠어 조그만 자석처럼 움직이는 성질이 약함 |
| NMR 신호 | NMR 신호가 약해짐 | NMR 신호가 강해짐 |
4-2. 이러한 변화가 실제로 뇌에서도 일어난다.
'오가와 세이지(小川 誠二)' 박사 등은 연구를 진행해, 이러한 변화가 실제로 뇌의 활동에서도 일어난다는 사실을 밝혀냈다. 뇌의 어떤 영역이 활동한다는 것은 그 영역의 '신경 세포(Neuron)'가 활동해, 그 영역의 산소 소비량이 증가한다는 뜻이다. 따라서 이 영역의 혈관에서는 산소와 분리된 헤모글로빈이 일시적으로 증가한다. 그러면 이러한 산소 결핍 상태를 해소하기 위해 이 영역의 혈관이 확대되어 혈류가 증가한다. 이 혈류의 증가는 신경 활동으로 산소가 소비되는 것 이상으로 산소를 공급한다고 알려져 있다. 산소와 분리된 헤모글로빈은 다량 함유한 적혈구는 흘러나가고 산소가 결합된 헤모글로빈을 많이 품은 적혈구가 운반되어 오는 것이다. 이리하여 NMR 신호의 변화가 일어나고, 이것을 포착함으로써 뇌가 활동한 영역을 파악할 수 있는 것이다.
'오가와 세이지(小川 誠二)' 박사 등은 1990년에 우선 쥐를 이용해 뇌의 신경 활동에 관련된 영상 변화의 모습을 보고하였다. 그리고 1992년에는 쥐의 뇌 활동을 측정하는 데 성공하였다. 인간의 경우를 대상으로 한 성공은 다른 연구 그룹이 약간 빨리 보고했지만, fMRI의 기본적인 원리를 밝혀낸 것은 '오가와 세이지(小川 誠二)' 박사였다.
5. 뇌의 기능 지도 외에도 다양하게 응용된다.
fMRI는 특히 뇌 연구 현장에 중요하다. 피험자에게 다양한 과제를 주고, 그때의 뇌 활동 영역을 fMRI로 조사함으로써 뇌의 각 영역의 기능에 대한 지식이 축적된다. 또 뇌와 기게를 연결한 'BMI(Brain Machine Interface)' 분야에서는 피험자에게 특정 동작을 머릿속에서 떠올리게 하고, 그때의 fMRI의 측정 결과를 사용해 기계를 조작하는 것이 가능해지고 있다.
또는 잠을 잘 때의 fMRI 측정 결과를 통해, 피험자가 꾼 꿈의 내용을 추측하는 연구도 진행된다. 인체 최후의 미개척지인 뇌의 연구를 진행하는 데 fMRI는 빼놓을 수 없는 도구인 셈이다. 한편, '공간 분해 능력(Spatial Resolution)'이 부족하다는 문제와 '시간 분해 능력(Time Resolution)'이 부족하다는 문제도 있다.
5-1. '공간 분해 능력'이 부족하다는 문제
먼저 fMRI의 '공간 분해 능력(Spatial Resolution)'이 부족하다는 문제이다. 현재 '기능적 자기 공명 영상(fMRI)'의 '공간 분해 능력'은 1mm 정도이다. 상당히 미세한 부분까지 식별할 수 있을 것으로 느껴지지만, 뇌 연구를 진행하기에는 충분하지 않다.
뇌에는 '칼럼 구조'라고 하는 약 10만 개의 신경 세포의 집단으로 이루어진 단위가 보편적으로 존재한다. 이 '칼럼 구조'는 뇌의 정보 처리에 중요한 역할을 담당하고 있다는 사실도 밝혀지고 있다. 칼럼 구조의 크기는 0.5mm 정도이기 때문에 좀 더 세밀한 공간 분해 능력이 있으면, 각각의 칼럼 구조를 구별에서 활동을 측정할 수 있을 것이다. '공간 분해 능력'을 향상시키기 위해서는 자기장을 강하게 해야 하므로, 기술적으로 간단하지 않다고 한다.
5-2. '시간 분해 능력'이 부족하다는 문제
'시간 분해 능력'의 문제는 더 심각하다. 현시점에서 fMRI는 신경 활동 그 자체를 파악하는 것이 아니라, '신경 활동에 의해 생기는 혈류의 변화', 더 정확하게는 '산소와 분리된 헤모글로빈 양의 변화'를 파악한다. 신경 활동의 결과가 혈류에 반영되기까지는 빨라도 몇 초 정도의 시간이 필요하다. 한편, 신경 활동은 그보다 훨씬 빠른 수십 밀리초 정도의 간격으로 끊임없이 변한다. 1밀리초는 1000분의 1초이다. 원래 어지러울 정도로 빠르게 변하는 신경 활동을 추적해야 한다. 왜냐하면 뇌의 메커니즘을 밝히기 위해서는 '어느 부위가 활동하고 있는가라는 정보'와 함께 '어떤 순서로 활동하고 있는가에 대한 정보'도 매우 중요하기 때문이다.
특히 최근에는 피험자에게 과제를 주지 않은 상태의 뇌 활동에도 주목하고 있다. 과제를 주지 않은 상태에서도 뇌는 자발적으로 활동하고 있으며, 게다가 그 활동은 무질서한 것이 아니라, 일정한 패턴을 따르고 있다는 사실이 주로 fMRI의 측정에 의해 밝혀지고 있다. 결국 패턴을 조사함으로써, 엄청나게 복잡해 전모를 파악할 수 없는 뇌의 네트워크 구조를 파악할 수 있다. 그리고 그 역동적인 활동을 파악하기 위해서는 '시간 분해 능력'을 향상시켜 활동의 순서를 밝혀야 한다.
그러나 fMRI로 혈류의 변화를 변화를 파악하는 방법을 채용하는 한, 요구되는 '시간 분해 능력'을 실현할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해서는 혈류 변화 이외의 것을 포착해야 한다. 예컨대 '신경 세포(Neuron)'가 활동할 때 발생하는 전류에 주목하는 방법도 있을 것이다. 이 전류는 '자기장(Magnetic Field)'를 발생시키기 때문에 fMRI의 NMR 신호에도 영향을 미칠 것이다. 그러나 그 영향은 너무나도 작아, 현재의 fMRI 장치로는 포착할 수 없다고 한다.
6. fMRI와 MEG의 측정 결과를 통합한다.
최근에는 fMRI와 MEG의 측정 결과를 통합할 수 있는 해석 방법의 연구도 진행되고 있다. 신경 세포의 활동으로 발생하는 전류에 의한 자기장의 변화를 포착할 수 있는 방법으로 '뇌자도(MEG: Magnetoencephalography)'라는 것이 있다. '뇌자도(MEG)'는 어떤 신경 세포가 다른 신경 세포로부터 신호를 받을 때, 받아들인 쪽에 전류가 발생하는 점을 이용해, 이 전류에 의한 자기장의 변화를 머리 밖에 측정하는 방법이다. MEG는 '공간 분해 능력'은 1cm 정도이지만, '시간 분해 능력'은 몇 밀리초로 매우 뛰어나다.
다만 '피라미드 세포(Pyramidal Cell)'가 늘어선 뇌의 표층 부분의 활동밖에 측정할 수 없다는 단점이 있다. 뇌의 피질에는 '피라미드 세포(Pyramidal Cells, 추체 세포)'라는 유형의 신경 세포가 묶여 존재하며, 이것들은 뇌의 표면에 대해 수직으로 늘어서 있는 경우가 많다. 결국 각각의 '피라미드 세포'는 거의 평행으로 늘어서 있는 것이다. 수만 개의 '피라미드 세포'에서 시간을 맞추어 '시냅스후 전위(Postsynaptic Potential)'가 발생한 경우에는, 자기장의 변화가 합해져 뇌 밖에서도 무엇인가를 측정할 수 있을 정도의 변화가 된다.