인간의 두뇌가 '뉴런(Neuron)'으로부터 전기신호를 주고받고 있다는 사실은 1875년부터 알려져 있었다. 머리 부위에 전극을 연결하면 이 신호를 측정할 수 있고, 여기서 얻어진 전기펄스를 분석하면, '뇌파(Brain Wave)'의 구체적인 형태를 알 수 있다. 과학자들은 뇌를 이해하고 싶어했고, 뇌를 탐색하기 위한 여러 기술들을 발명하였다. 신경과학의 원리를 근본적으로 이해하기 위해서는 두뇌를 해독하는 기술들에 대해 먼저 이해할 필요가 있다. 뇌를 탐색하는 몇 가지 핵심적인 기술들에 대해서 알아보자.
0. 목차
- EEG 스캔
- MRI(자기 공명 영상법)
- 양전자 방출 단층 촬영(PET)
- 뇌자도 측정기(MEG)
- 경두개 전자기 스캐너(TES)
- 뇌심부 자극술(DBS)
- 광유전학
- 뇌 투명하게 만들기
- 그외의 기술
1. EEG 스캔
'EEG 스캔(Electroencephalogram Scan)'은 전극이 달린 '헬멧'이나 '헤어네트(Hairnet)'를 써서 뇌에서 흐르는 미세한 전류 신호를 감지하는 방법이다. EEG는 1924년에 처음 발명되었지만, 전극을 통해 쏟아지는 데이터를 컴퓨터로 분석하게 된 것은 비교적 최근의 일이다. EEG를 사용하려면 환자는 전극이 잔뜩 연결된 헬멧을 써야 하는데, 요즘에는 초소형 전극이 줄줄이 달린 '헤어네트' 형태로 되어 있다.
1875년에 '리처드 카튼(Richard Carton)'은 사람의 두피에 전극을 연결하여 두뇌에서 방출된 미세한 전기신호를 최초로 포착했다. 이것은 훗날 뇌파측정기 'EEG(Electroencephalograph)'로 발전했다. EEG를 사용하면 뇌에 흐르는 미세한 전류 신호를 감지해서 디지털 신호로 변환 후 컴퓨터로 보내 두뇌 영상을 만들 수 있다. EEG는 그냥 자연적으로 발생하는 전자기파를 받아서 분석을 하는 것이기 때문에 사용이 편리하고 가격도 저렴하다.
하지만 EEG 스캔은 두개골을 통과하면서 전기신호가 희미해지기 때문에 해상도가 낮을 수밖에 없다. 신호의 강도는 밀리와트 수준으로 매우 미약할 뿐만 아니라, 내용이 너무 불규칙하여 무작위로 발생하는 잡음과 크게 다르지 않ㄴ다. 또 뇌의 어느 부위에서 발생한 뇌파인지 알아내기도 쉽지 않다. 그뿐만 아니라 대상자가 조금만 움직여도 신호가 크게 왜곡된다는 단점이 있다. 하지만 신호를 간편하고 빠르게 수신할 수 있으며, 대상자가 잠자거나 얌전히 있을 때에는 EEG를 사용하기에 적합하다.
EEG를 사용하면 의식의 수준에 따라 뇌로부터 방출되는 뇌파의 진동수가 다르다는 사실을 확인할 수 있다. 예컨대 수학 문제를 푸는 등의 집중력을 요하는 사고를 할 때는 '베타파'가 나오고, 깊은 잠에 들었을 땐 '델타파'가 나오는 것을 측정할 수 있다. '뇌파의 형태'는 불안이나 분노, 슬픔 등 감정 상태에 따라서도 달라지고, 수면의 깊이에 따라서도 달라진다. 또한 뇌는 다양한 진동수로 진동하면서 서로 정보를 교환하고 있다. 두뇌의 정반대 쪽에 있는 부위들 사이에서도 필요한 정보는 '즉각적으로' 교환된다.
- 베타파(β-wave): '베타파'는 1초에 진동수가 12~30회 정도인 파장으로, 빠르고 진폭이 작다.
- 델타파(δ-wave): '델타파'는 1초에 진동수가 0.5~4회 정도인 파장으로, 느리고 진폭이 크다.
1-1. EEG의 응용
EEG를 이용하면, 마비 환자의 뇌파를 컴퓨터 스크린에 띄어놓으면 생각만으로 커서를 움직일 때 파형이 변해가는 양상을 직접 확인할 수 있다. 독일의 뇌과학자 '닐스 비르바우머(Niels Birbaumer)'는 신체가 부분적으로 마비된 환자에게 이 방식을 적용하여 컴퓨터에 간단한 문장을 입력할 때 나타나는 뇌파의 변화를 측정할 수 있었다.
아동용 완구 업체들도 이 방식을 채용하고 있다. '뉴로스카이(NeuroSky)'를 비롯한 몇몇 완구 업체들은 특정 장난감과 함께 전극이 삽입된 EEG-타입 헤어밴드를 판매하고 있다. 머리에 이 밴드를 착용하면 생각만으로 장난감을 움직일 수 있다. 예컨대 가느다란 원통 안에 탁구공을 집어넣고 위로 떠오르는 생각을 하면 정말로 공이 위로 떠오른다.
2. MRI(자기 공명 영상법)
'자기 공명 영상법(MRI: Magnetic Resonance Imaging)'는 신경과학과 뇌과학의 발전에 가장 큰 공헌을 한 장치이다. 전자기파의 한 종류인 라디오파는 생체조직을 자유롭게 통과한다. 바로 MRI가 이런 특징을 이용한 장치다. 사람이 두 개의 대형 코일이 에워싼 MRI 기기에 들어간 채 전원을 켜면, 기기 내부에 강력한 자기장이 생긴다. 이때 사람의 몸을 구성하는 수소 원자핵의 양성자는 작은 자석 같은 성질을 가지고 있어, 자기장의 방향에 따라 자기 방향이 정렬된다.
이때 특정 진동수의 라디오파 펄스를 가하면 수소 원자핵의 양성자가 이를 흡수했다가 방출하는 '공명(Resonance)'현상이 일어난다. 이 공명 과정에서 두 번째 라디오파 펄스가 방출되는데, 이 신호를 분석하면 몸에 얼마나 많은 수소가 있는지를 파악할 수 있다. 이 데이터를 컴퓨터로 보내 분석하면, 두뇌를 3차원 영상으로 선명하게 관찰할 수 있다. 개개의 화학성분은 각기 다른 진동수에 반응하기 때문에, MRI의 라디오 주파수를 바꾸면 다른 원자도 감지할 수 있다. 1990년대 중반에 산소를 감지하는 MRI가 개발되면서 뇌도 들여다볼 수 있게 되었다.
그런데 MRI는 뉴런에 흐르는 전기신호를 직접 관찰할 수는 없는데 어떻게 MRI로 뇌를 들여다볼 수 있다는 걸까? 뉴런에 에너지를 공급하기 위해서는 산소가 필요하다. 때문에 산소를 추적하면 뉴런에 흐르는 전기적 신호도 간접적으로 관찰할 수 있는 것이다.
2-1. fMRI(기능성 자기공명 영상법)
'기능성 자기공명 영상법(fMRI: functional Magnetic Resonance Imaging)'는 '자기공명 영상법(MRI)'를 연속적으로 촬영하여 뇌의 움직임을 포착해 내는 기술로, fMRI을 이용하면 EGG보다 훨씬 세밀한 측정을 할 수 있다. EEG는 두뇌에서 발생한 전기 신호만을 감지하는 '소극적인' 장치이므로 신호의 근원지를 밝히기 어렵다. 반면, fMRI는 라디오파에서 발생한 '메아리'를 사용하기 때문에 살아 있는 생체 조직의 내부를 들여다볼 수 있으며, 다양한 신호의 근원지를 정확하게 파악하여 두뇌 내부의 3D 영상까지 만들어낸다.
fMRI 장치는 값이 비싸고 웬만한 실험실 전체를 다 꽉 채울 정도로 덩치가 크고 비싸지만, 두뇌의 세부구조를 밝혀줄 최상의 장비로 평가받고 있다. 헤모글로빈에 들어 있는 산소의 정확한 위치도 fMRI 스캔 데이터를 분석하여 알아냈다. 산소를 함유한 헤모글로빈은 세포를 활성화하는데 필요한 에너지를 공급하고 있으므로, 산호의 흐름을 파악하여 두뇌에서 사고가 진행되는 과정을 추적할 수 있다. fMRI는 살아 있는 두뇌 안에서 생각이 움직이는 과정을 0.1mm 단위로 추적할 수 있다. (0.1mm 안에는 수천 개의 뉴런이 존재한다.) 따라서 fMRI를 이용하면 생각할 때 나타나는 에너지의 흐름을 3차원 영상으로 재현할 수 있다. 앞으로 fMRI는 두뇌에 특정 생각이 떠올랐을 때, 뉴런 하나하나의 변화를 감지할 수 있을 것이다.
3. 양전자 방출 단층 촬영(PET)
'양전자 방출 단층 촬영(PET: Positron Emission Tomography)'스캔은 포도당의 위치를 추적하여 뇌 속의 에너지 흐름을 감지하는 방법이다. 약간의 방사능을 띤 설탕 용액을 몸에 주입하면, 설탕 분자의 나트륨 원자가 붕괴될 때 방출되는 '양전자(Positron)'를 감지기를 통해 추적할 수 있다. 이러한 방법으로 방사성 원자의 이동경로를 추적하면, 뇌 안에서의 에너지 흐름과 에너지 소모 현황을 3차원으로 영상을 만들 수 있다.
'양전자 방출 단층 촬영(PET)'은 MRI와 많은 장점을 공유하고 있지만, MRI처럼 해상도가 높지는 않다. 그러나 MRI는 혈류를 통해 에너지 소모를 현황을 간접적으로 추정하는 반면, '양전자 방출 단층촬영(PET)'는 소모되는 현장을 직접 관측하므로 신경 활동에 대한 정보를 훨씬 많이 얻을 수 있다. 그러나 적은 양이지만 '방사선(불안정한 핵이 붕괴할 때 방출되는 입자나 전파)'을 방출하기 때문에 한 사람에게 계속 사용할 수 없다는 단점이 있다. 일반적으로 환자 한 사람에게 허용된 PET 촬영 횟수는 1년에 한 번 정도이다.
4. 뇌자도 측정기(MEG)
특히 '자기장(Magenetic Field)'은 두개골을 절개하지 않고 뇌 특정 부위의 활동되는 데 이용되었다. 이런 식의 조작이 가능한 이유는 "빠르게 변하는 전기장은 자기장을 만들어내고, 빠르게 변하는 자기장은 전기장을 만들어낸다."는 전자기학의 기본적이 원리 때문이다. 두뇌에 생성된 자기장은 지구 자기장의 10억 분의 1에 불과할 정도로 미세하지만, '뇌자도 측정기(MEG: Magnetoence-Phalography)'는 바로 이 자기장을 감지하도록 만들어진 장치이다.
'뇌자도 측정기(MEG)'는 EEG처럼 시간에 대한 해상도가 매우 높아서, 한 프레임을 찍는데 1000분의 1초 정도밖에 걸리지 않는다. 그러나 공간 해상도는 사진을 구성하는 픽셀의 크기가 무려 1cm3나 될 정도로 낮다.
5. 경두개 전자기 스캐너(TES)
수동적 장치인 '뇌자도 측정기(MEG)'와는 달리, '경두개 전자기 스캐너(TES: Transcranial Electromagnetic Scanner)'는 전기 펄스로부터 폭발적인 자기에너지를 발생시키는 장치이다. 이것을 환자의 머리 근처에 고정해 놓으면, 자기 펄스가 두개골을 투과하면서 뇌 안에서 또 다른 전기 펄스를 만들어낸다. 이 두 번째 전기펄스는 뇌에서 미리 선택해놓은 영역의 활동을 아예 정지시킬 정도로 강력하다.
과거에 과학자들은 두뇌의 특정 부위가 기능을 멈췄을 때, 어떤 증세가 나타나는지 알아보려면, '뇌졸증 환자'나 '뇌종양 환자'를 집중적으로 관찰하는 수밖에 없었다. 그러나 '경두개 전자기 스캐너(TES)'는 아무 부위나 골라서 마음대로 기능을 정지시킬 수 있으며, 장치를 제거하면 피험자는 곧바로 정상 기능을 회복한다. 뇌의 특정 부위에 자기에너지를 발사한 후, 피험자의 거동에서 바뀐 점을 관찰하기만 하면, 그 부위의 기능을 알아낼 수 있다. 예컨대 '자기 펄스'를 측두엽에 발사하면, 피험자는 언어능력의 상당 부분을 상실한다.
'경두개 전자기 스캐너(TES)'의 단점 중에 하나는 자기에너지가 뇌의 깊은 부분까지 침투하지 못한다는 점이다. 전기력은 거리가 멀어질수록 거리의 제곱에 반비례하여 약해지는데, 자기력은 거리가 멀어질수록 이보다 훨씬 빠르게 감소한다. 그래서 TES는 두개골 근처의 뇌를 잠재우는 데는 효과적이지만, 대뇌번연계와 같이 깊은 내부에는 적용할 수가 없다. 그러나 앞으로 자기장의 정확도가 높아지면, TES는 이와 같은 기술적 한계를 극복하게 될 것이다.
6. 뇌 심부 자극술(DBS)
'뇌 심부 자극술(DBS: Deep Brain Stimulation)'는 뇌의 심부에 전기 자극을 주어 뇌 활동을 자극하거나 방해해서 뇌의 각 부분의 기능을 알아내는 연구 장비다. 초기에 '와일더 펜필드(Wilder Penfield, 1891~1976)' 박사는 투박한 탐침을 사용했지만, 요즘 쓰이는 전극은 머리카락처럼 가늘어서 두뇌 깊은 곳까지 도달할 수 있다. DBS는 뇌 각 부분의 기능을 알아내는 연구 장비로 쓰이는데, 실제로 두뇌에 발생하는 기능장애의 대부분이 BDS를 통해 알려졌다고 해도 과언이 아니다.
DBS는 연구 장비인 동시에, 정신적 장애를 치료하는 의료장비이기도 하다. DBS 특히 파킨슨병을 치료하는 효과적인데, 비정상적으로 활성화된 뇌의 특정 부위의 신경세포를 억제시킬 수 있다. 하지만 뇌 심부 자극술은 오래전부터 시행되어 왔음에도 원리나 기전은 명백하게 알려진 바가 없다. 그래서 환자들에게 효과적일 수는 있으나 동시에 심각한 부작용과 합병증의 위험도 가지고 있다.
7. 광유전학(Optogenetics)
'광유전학(Optogenetics)'은 글자 그대로 빛과 유전학을 결합한 분야이다. 역사가 십몇 년 정도밖에 안된 공상과학 같은 최신 기술로, 신경과학에서 가장 주목받고 있는 기술이다. 과학자들은 광유전학을 가능케 한 '빛 감지 센서'인 '감광 단백질'을 '클라미도모나스(Chlamydomonas)'라는 녹조류에서 발견했고, 수술을 통해 빛 감지 센서를 가진 이 유전자를 뉴런에 삽입하였다. 이후 두뇌에 밝은 특정 파장을 가진 빛을 쪼였더니 뉴런이 활성화되었다. 물론 스위치를 켰다 껏다 할 수도 있어 특정 행동을 유발하거나 방지할 수도 있다. 이 때문에 '광유전학'은 '신의 리모컨'이라고 불리기도 한다.
예를 들면 광유전학을 통해 스위치를 켜서, 과실파리가 갑자기 날아오르게 한다거나 꿈틀대던 지렁이를 조용하게 만드는 것이 가능하다. 2013년에는 광유전학 기술을 이용하여 생쥐의 뇌 해마를 자극해 '트라우마(나쁜 기억)'를 떠올리게 만드는 실험도 성공한 적이 있다. 2014년에는 다시 트라우마를 잊게 만드는 데도 성공하여, 기억을 인위적으로 조작하는 것이 가능하다는 것을 증명해냈다. 이를 사람에게 적용하면 사람에게도 기억을 주입할 수 있을 것이다.
약물이나 수술은 고장난 세포를 고치다가 건강한 세포까지 손상시킬 수 있지만, 광유전학을 활용하면 반응하도록 미리 조작한 특정 세포만 고치는 일이 가능하다. 그래서 요즘에는 이 광유전학을 활용해서 '파킨슨병(Parkinson's Disease)', 정서불안장애 등을 치료하기 위한 연구도 진행되고 있다.
8. 뇌 투명하게 만들기
사실 모든 세포는 투명하다. 현미경을 통해 세포를 보면 내부의 모든 요소들이 그대로 드러난다. 하지만 이런 세포가 수십억게 모이여서 장기를 이루면 세포막에 '지질(Lipid)'이 추가되면서 세포의 투명성을 잃게 된다. 하지만 이 지질을 다시 제거하면 뇌세포의 투명성을 다시 확보할 수 있을 것이다. 2013년 스탠퍼드대학교의 과학자들은 '쥐의 뇌 전체와 인간의 뇌 일부를 투명하게 들여다보는 데 성공했다.'고 발표했다. 당시 '뉴욕 타임스(New York Times)'는 인간의 두뇌, 투명한 Jell-O가 되다.'라는 헤드라인과 함께 관련 기사를 대서특필했다.
이 기술은 뉴런에 아무런 영향을 주지 않은채 '지질(Lipid)'을 제거할 수 있다. 지질을 제외한 두뇌의 모든 분자를 결합해주는 '히드로겔(주로 물로 이루어진 겔 형태의 물질)'에 뇌를 담그고 전기장을 걸어주면 지질이 제거된다고 한다. 뇌 전체가 투명해지면, 뇌 기능을 규명하는 데 도움을 주는 탐지용 형광 분자를 집어넣는다. 그러면 뇌 속 깊숙한 곳에 있는 세포와 분자의 3차원 분포를 매우 자세하게 관찰할 수 있어, 뇌의 신경망 지도를 작성할 수 있다.
사실 생체조직을 투명하게 만드는 것은 새로운 기술은 아니지만, 뇌 전체를 투명하게 만들려면 고도로 정교한 기술이 필요하다. 이 연구를 선도한 스탠퍼드의 한국인 과학자 정광훈 박사는 "그동안 수백 개의 뇌를 태우거나 녹이면서 다양한 시행착오를 겪었다."고 고백했다. 흔히 '클래러티(Clarity)'라고 불리는 이 기술은 두뇌 이외의 다른 장기에도 적용할 수 있는데, '포르말린(Formalin)' 같은 화학약품 속에 넣고 1년 이상 보관한 장기에도 적용이 가능하다. 이 기술은 뇌뿐만 아니라 심장이나 다른 장기에도 적용할 수 있으며, 정광훈 박사는 이미 간과 허파를 투명하게 만드는 데 성공했다.
9. 그 외의 기술
나트륨 이온이나 칼슘 이온을 이용하는 '이온 영상(Ion Imaging)', 그리고 '형광 영상 시스템(Fluorescence Imaging System)'도 광학영상에 적용할 수 있는 기법이다. 세포막을 통과하는 이온 흐름을 측정하는 '패치크램프(Patch-Clamp)', 뉴런을 손상시킨 후 그 효과를 관찰하는 '뇌병소기법(Brain Lesioning Technique)', 전자광선으로 미세한 세포를 검사하는 '전자현미경 기법' 등도 모두 '뇌 스캐닝(Brain Scanning)'에 사용되는 방법들이다.
9-1. 전압 민감 염료(VSDI)
동물의 뇌에 주로 적용할 수 있는 방법으로 '전압 민감 염료(VSDI: Voltage-Sensitive Dye Imaging)'라는 기법도 있다. 간단히 설명을 하자면 노출된 신피질을 투명한 물질로 봉인하고 '전압 민감 염료(VSDI)'를 주입한 뒤 착색이 되었을 때 빛을 비춘 채 고속 카메라로 연속촬영하는 방법이다. 그러나 이 방법은 뇌의 활동을 민감하게 측정할 수는 있어도 신피질 표면에서 가까운 부분만 측정이 가능하다는 한계가 있다.
