신경세포의 전기적 활동이 발생시키는 극미세 자기장을 감지하여, 뇌의 신호 진원지를 밀리초 단위로 정확히 추적하는 비침습적 첨단 신경영상 기술
내과 의사들은 뱃속에서 일어나는 일을 알아내기 위하여 청진기를 이용한다. 우리도 우리 머리에 청진기를 대면 머릿속에서 일어나는 일을 알 수 있을까?
유감스럽게도 아무런 소리가 들리지 않는다. 뇌란 빈 공간 없이 꽉 차있는 부분이므로 우리 귀로 들을 수 있는 움직임에서 오는 '소리'가 들릴 리 없다. 그럼 어떻게 할까?
뇌 속에는 소리 대신 '전기'가 있다. 그것도 아주 작은 전기활동이 신경세포 사이에서 끊임없이 일어나고 있다.
'전기 소리'를 들을 수는 없을까? 있다. 큰 소리, 작은 소리, 높은 소리, 낮은 소리... 들의 전기 합창을 들을 수 있다. 청진기 대신 작은 전기감지기를 머리에 대고 있으면 된다. 그것도 머리에 딱 붙여야지 들을 수 있게 된다. 이 전기 감지기를 통해 들리는 뇌의 전기 합창을 뇌파(Brain Wave, EEG)라고 한다.
뇌 속의 세포들이 동시에 목소리를 내면, 즉 각자 와글와글 떠들면서 나는 소리를 듣는다고 생각해 보라. 소리 대신 우리는 그 전기 감지기에서 잡히는 것을 시각적으로 파형으로 그리면 된다. 전축에 쓰는 것 같은 앰프에다 연결하면 정말 소리로 만들어 들을 수도 있다. 그런데 뇌의 어디서 이 '전기 소리'가 나오는 것일까를 제대로 추측하려면 전극(electrode)을 머리 여기저기 빽빽하게 꼽는 것이 필요하다. 물론 위치 추적을 위해서 복잡한 수학식을 적용한다. 전극의 수가 많을수록 전기파가 어디서 시작되었을까를 추측하는 것이 더 정확해진다.
요즘 새로 나온 또 다른 방법은 MEG (Magnetic Encephalography, 뇌자도)라는 방법이 있다. 이것은 앞에서 말한 ERP(사건관련전위)와 유사한 방식으로 뇌의 활동을 측정하지만, 수영 모자처럼 전극 풀을 바르고 붙일 필요 없이 특수 헬멧 기계 안에 머리를 넣고 앉아 있으면 된다.
이 헬멧은 두뇌의 전기 합창을 엿듣는 것이 아니라, 전기 합창이 유발시키는 ‘자기장의 변화’를 헬멧으로 감지하는 것이다. 그 헬멧같이 생긴 기계 안에는 무척 정밀하고 복잡한 센서(튜브)들이 수백 개 숨겨져 있어서, 각각 바로 밑에서 일어나는 자기장의 변화를 민감하게 탐지한다. 복잡한 프로그램을 통해서 이 신호들을 종합하면 결국 두뇌에서 무슨 일이 일어나는지 정확하게 예측하게 된다.
자기장의 변화는 두뇌 전기의 변화만큼 빠른 속도로 변하기 때문에 MEG도 수 밀리초(msec) 단위로 두뇌 활동의 변화를 실시간으로 읽어낸다. 고가 장비인 이 기계는 전기 활동의 진원지가 어디인지를 훨씬 더 확실하게 잡아내는 결정적 장점이 있다. 두피와 두개골에 의해 전기가 흐트러지는 EEG와 달리 자기장은 뼈를 왜곡 없이 통과하기 때문이다.
뇌자도(Magnetoencephalography, MEG)는 대뇌 피질의 신경세포(특히 추체신경세포, Pyramidal neurons)의 시냅스 후 전위(Postsynaptic potentials)에서 형성되는 미세한 이온 전류에 의해 유도되는 자기장을 머리 표면에서 비침습적으로 기록하는 뇌기능 측정 기술입니다.
전선에 전류가 흐르면 그 주위에 자기장이 형성되듯(앙페르 회로 법칙), 신경세포를 따라 흐르는 미세 전류도 자기장을 유발합니다. 뇌에서 발생하는 자기장의 세기는 약 10 ~ 100 펨토테슬라(fT, 10-15 T)로, 지구 자기장(약 50 μT)의 10억 분의 1에 불과할 정도로 극도로 미약합니다.
이토록 미약한 자기장을 포착하기 위해 절대온도 4K(-269°C)의 액체 헬륨으로 냉각된 초전도 양자 간섭 소자(SQUID, Superconducting Quantum Interference Device)를 수백 개(100~300개 이상) 어레이로 배열한 헬멧형 듀와(Dewar) 장치를 사용합니다.
도시의 전력선, 엘리베이터, 자동차, 지구 자기장 등 주변의 거대한 자기 노이즈를 완벽하게 차단하기 위해 뮤메탈(Mu-metal)과 알루미늄으로 다층 밀폐된 특수 자기 차폐실(Magnetically Shielded Room) 내에서 검사가 진행됩니다.
측정된 다채널 자기장 분포를 바탕으로 수학적 역문제(Inverse Problem)를 풀어, 신호가 대뇌 피질의 어느 주름(Sulcus)이나 부위에서 발원했는지를 구조적 MRI 영상 위에 겹쳐 3차원으로 시각화(Magnetic Source Imaging, MSI)합니다.
MEG는 뇌파(EEG)의 빠른 시간 분해능과 fMRI(기능적 자기공명영상)의 우수한 공간 분해능의 장점을 동시에 갖춘 독보적인 뇌기능 측정 도구입니다.
| 비교 항목 | MEG (자기뇌촬영) | EEG (뇌파) | fMRI (기능적 MRI) |
|---|---|---|---|
| 측정 대상 | 신경세포 전류가 만든 자기장 | 신경세포 전류가 만든 전위차(전압) | 혈액 산소 포화도 변화(BOLD) |
| 시간 분해능 (Temporal) | 1 밀리초(㎻) 미만 (실시간 신경 동역학) | 1 밀리초(㎻) 미만 | 수 초 (혈류 반응 속도 지연) |
| 공간 분해능 (Spatial) | 약 2 ~ 3 mm (매우 정밀) | 수 센티미터 (두개골 왜곡으로 낮음) | 약 1 ~ 2 mm (최고 수준) |
| 두개골/두피 영향 | 전혀 없음 (자기장은 조직 투과) | 매우 심함 (전기전도도 차이로 왜곡) | 영향 없음 |
| 피검자 편의성 | 전극 부착 불필요 (헬멧 착용) | 전도성 젤 도포 및 수십 개 전극 부착 | 밀폐된 원통, 심한 소음 발생 |
약물 난치성 뇌전증 환자의 발작 간 발작파(Spike) 발원지를 밀리초 단위로 찾아내어, 정상 뇌 부위를 보호하면서 병소만 정밀 절제하는 수술 계획의 필수 표준 검사입니다.
뇌종양 수술 전, 종양 주변의 운동피질, 언어피질(브로카/베르니케 영역), 청각피질 위치를 미리 확인하여 수술 후 후유증을 최소화합니다.
주의 집중, 작업기억, 언어 처리 시 대뇌 각 영역 간의 세타(θ), 알파(α), 감마(γ) 뇌파 동기화 및 기능적 신경망 연결성을 시간 순서대로 추적합니다.
알츠하이머병, 조현병, 자폐스펙트럼장애(ASD) 환자에게서 나타나는 고유한 감마 대역 신경 진동 이상 및 감각 정보 처리 결함을 조기 발견합니다.
비침습적이면서도 고속의 뇌 신호 디코딩이 가능하여, 생각만으로 컴퓨터 커서나 로봇 보조 장치를 제어하는 첨단 인터페이스 연구에 활용됩니다.
최근에는 극저온 헬륨이 필요 없는 상온 광펌핑 자력계(OPM)가 개발되어, 환자가 움직이거나 걸어 다니면서도 측정할 수 있는 웨어러블 MEG로 발전하고 있습니다.
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