fMRI (기능적 자기공명영상)

1 fMRI(기능적 자기공명영상)의 정의 (Definition)

기능적 자기공명영상(functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)은 뇌의 형태적 구조만을 촬영하던 기존 해부학적 MRI(Structural MRI)를 발전시켜, 사람이 특정 생각, 기억, 감정, 언어, 운동 과제를 수행하거나 혹은 가만히 휴식을 취하는 동안 어느 뇌 영역이 실시간으로 활성화되는지를 비침습적(Non-invasive)으로 시각화하는 뇌기능 영상화 기술입니다.

전통적인 양전자방출단층촬영(PET)이 방사성 동위원소를 체내에 주사해야 하고 수 분에 걸쳐 한 장의 영상을 얻는 데 반해, fMRI는 인체에 무해한 강한 자기장과 고주파(RF 펄스)만을 이용하므로 방사선 피폭 위험이 전혀 없으며, 매 1~3초 간격(반복시간 TR)으로 뇌 전체를 3차원 볼륨 단위로 연속 촬영하여 마치 두뇌 활동의 '동영상'을 보듯 뇌 기능의 역동적 변화를 추적할 수 있습니다.

2 작동 원리: BOLD(혈중 산소치 의존성) 신호와 신경혈관 결합

fMRI는 신경세포의 전기적 활동(활동전위)을 직접 측정하는 것이 아니라, 신경 활동에 뒤따르는 국소 혈류역학의 변화를 간접 측정하는 '신경혈관 결합(Neurovascular Coupling)' 현상에 기초합니다. 이 메커니즘을 1990년 오가와 세이지(Seiji Ogawa) 박사가 발견하였으며, 이를 BOLD(Blood Oxygenation Level Dependent) 효과라고 부릅니다.

3 fMRI의 핵심 기능 및 최신 분석 패러다임

초기 fMRI가 특정 단어 읽기나 손가락 까딱하기 같은 단순 감각·운동 영역을 찾는 데 집중했다면, 현대 뇌과학의 fMRI는 복잡한 인지 네트워크, 무의식적 의사결정, 생각 디코딩(Brain Decoding)까지 영역을 확장하였습니다.

4 fMRI의 혁신적인 임상적 활용 (Clinical Applications)

fMRI는 학술 연구실을 넘어 대학병원 및 첨단 의료기관에서 신경외과 수술의 안전성 확보와 신경정신질환의 객관적 진단 바이오마커로 널리 쓰이고 있습니다.

5 산소의 과잉공급을 추적하라 : 두뇌 활동 사진의 탄생 (원문 해설)

두뇌의 해부학적 특성을 잘 찍어내는 MRI (자기공명영상) 는 우리 몸속에 있는 수소 분자의 특성을 잘 이용해서 찍는 것이다. 수소 분자가 무슨 상관이 있는가? 두뇌의 백질과 회백질에는 이 수소분자의 밀도가 전혀 다르다. 그래서 수소 분자로부터 나오는 신호의 밀도 차이가 곧 두뇌의 조직을 그대로 잘 재현하게 되는 것이다. 그러나 이것은 두뇌의 '모습' '생김' 즉 구조에 대한 정보이지 기능에 대한 정보는 아니다 ........ 이렇게 구조를 찍는데 쓰이는 MRI 를 잘 이용하면 이번엔 같은 기계로 같은 그 자리에서 이어서 '활동' 즉 '기능' 을 찍을 수 있다. 한 사람을 한 기계에서 구조영상과 기능영상을 찍어낸다는 것은 대단히 중요한 장점이다. 어려움 없이 두 영상을 합치면 그 기능이 어느 구조위에서 일어나고 있는지 정확하게 집어낼 수 있기 때문이다......

MRI 로 기능 (function) 을 찍는 영상이라고 해서 function 의 'f' 가 붙어서 우리가 'fMRI' 라고 부르는 이 기능 영상방법은 우리 두뇌의 묘한 부조화를 이용한 것이다. 두뇌의 한 동네가 바빠지면 그 쪽으로 혈류가 일시적으로 증가한다고 소개한 바 있다. 이때 혈류만 증가하는게 아니라, 혈당도 증가하고, 그리고 산소공급이 증가한다. 뇌 세포에 산소가 혈류를 통해서 공급되려면 잘 알려진 사실과 같이 헤모글로빈이라는 것이 작용하게 된다. 즉 바쁜 동네를 지나는 핏줄 속에 산소와 결합된 헤모글로빈이 많아지는 것이다. 이상하게도 정말 필요 (수요) 한 것보다도 더 많이 공급되는 현상이 있는데 물론 오래 가지는 않고 다시 수요 공급의 균형이 금방 돌아온다. 그래서 그 뇌 조직이 계속 분주하다 해서 과잉공급 시기가 계속되는 것도 아님을 주의하자.

이때 산소와 결합된 헤모글로빈은 또 잘 알려진 사실이지만 철분 이온과 결합되어 있는 것이고 산소를 넘겨주고 이산화탄소를 받은 헤모글로빈과 철분이온과의 결합상태가 달라서 자기장에 영향을 주는 속성도 다르다. 철이 자기장에 영향을 준다는 것도 여기서 또 중요하지만 지당한 사실. 즉 MRI 는 자기장의 속성을 고도의 방법으로 잘 이용해서 찍는 기법이다. 산소와 결합한 헤모글로빈이 이산화탄소와 결합한 헤모글로빈과의 농도 차이가 생기면, MRI 가 찍을 수 있는 신호의 강도 차이가 생긴다. 활동이 왕성한 뇌조직 주변을 지나는 모세 혈관에 결국 일시적으로 산소 (+헤모글로빈) 가 과잉 공급되는 순간을 포착하면 두뇌의 어느 동네가 지금 분주한가 하는 귀한 정보를 '지도화' 하게 되는 것이다. .........

방사선 동위원소를 만들어야 하는 어렵고 비싼 기술도 필요없고, 실험에 참여하거나 검사에 참여하는 사람이 정맥주사를 손등에 맞고 있을 필요도 없이 여전히 두뇌 '활동 사진' 을 찍는 것이 1990 년대 후반부터 실질적으로 가능해 지게 되었다. 말 그대로 활동사진이다. 두뇌를 몇분에 걸쳐 한 장을 찍어내는 것이 아니라 (H₂¹⁵O PET 이나 FDG-PET 처럼) 매 1-3 초 마다 뇌 전체를 한 프레임씩 계속 찍으니 이게 활동사진이 아니고 무엇이란 말인가. .........

fMRI 를 좀더 자유롭게 쓸 수 있게 되면서 fMRI 를 이용한 두뇌와 인지과정의 기제를 연구하려는 실험이 폭발적으로 증가하고 있다. 이는 세계적인 추세이며 우리나라도 요 몇 년동안 연구 수와 연구자의 수가 증가하고 있다. 여전히 기계가 비싸고 대부분의 기계가 의료용으로 병원에서 환자 진료용으로 쓰이고 있어 자유롭게 연구하는데 쓰지 못하고 있다는 문제가 있다. 선진국처럼 연구용 MRI 가 연구소나 대학 캠퍼스에 설치된다면 아직도 해결해야 할 두뇌의 수수께끼가 다음 세대 과학자들을 기다리고 있을 것이다.

물론 이 기계가 연구자의 꿈을 실현한 기계는 아니다. 실제로 이 기계는 공기주머니 근처 (코 위, 귀 위) 의 신호가 잘 안나오고, 기계가 자기장 펄스를 때리느라고 끊임없는 큰 소음을 내고 (귀마개를 꼭하고 기계에 누워야 한다), 들어가 누워있는 자리는 좁고 긴 원통형이어서 좀 불쾌감을 느끼는 사람도 있을 정도이다. 더 중요한 것은 쇠, 금속 물질이 이 기계 근처에 가면 신호가 망가질 뿐 아니라 이 쇠붙이가 기계속으로 무서운 속력으로 빨려가면서 안전사고를 낼 위험도 있다. 예를 들어 이를 금속으로 교정하고 있는 사람은 피험자가 될 수 없다 (신호가 망가진다). 몸속에 금속 성분의 부속품을 이식하고 있는 사람은 물론 기계 근처에 가서는 안된다. 특히 심장박동기를 이식하고 있는 사람은 절대 근처에 가서는 안된다.

그렇지만 이 방법은 또 장점도 많다. 우선 몇 번이고 다시 찍어도 전혀 안전에 문제가 없다. 예를 들어 여러분이 새로운 외국어 (아랍어) 를 배우는 학기 초에 찍고, 학기 중간에 찍고, 학기 말에 찍었다고 해보라. 아랍어를 보고 읽는데 뇌가 어떻게 다르게 반응하는 가를 시리즈로 찍어서 분석했다면 얼마나 귀한 정보를 얻을 수 있겠는가 상상해 보라. 발달기의 어린이들도 찍을 수 있다. 물론 5 살 미만의 아이들은 거의 불가능하다. 그 기계에서 약간만 움직여도 그것은 곧 엄청난 잡음 신호가 되기 때문이다. 그러나 어느 정도 움직이지 말라는 지시를 따를 수 있는 아이들도 학령 전, 학령 후, 반복해서 찍어도 된다. 약물 복용 전후로 찍을 수도 있고 치료 전후로도 찍을 수 있다. 연구자의 상상력에 맡기기로 하자. 이런 장치와 방법으로 무엇을 할 수 있는지는, 그냥 놀랄 준비만 하면 된다 ............
— 강은주 (2003) 서울대학교 의과대학 핵의학교실 인지신경영상연구실

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