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논문

Exploring the brain network: A review on resting-state fMRI functional connectivity 1편(resting-state fMRI이란?)

by 뭉코원정대 2021. 2. 4.

1. Introduction

뇌는 서로 다른 기능을 하는 다양한 뇌 영역들이 끊임없이 정보를 주고 받는 하나의 네트워크임(Brain network).

 

이전에는 개별 뇌 영역들의 역할과 기능에 대한 연구를 하였지만, 최근에는 이러한 개별 뇌 영역들 간 기능적 상호작용을 연구함(기능적 연결성, Functional connectivity).

 

기능적 연결성은 서로 다른 뇌 영역들의 신경 활성화가 시간에 따라 같이 활동하는지 또는 서로 다르게 활동하는지로 정의됨(Activation or Deactivation). 

 

Brain network 를 통해 기능적 연결성이 어떻게 행동에 관련되어 있는지, 이러한 연결성 구조가 신경 퇴행성 질환에서 어떻게  변화하는지를 연구가 많이 진행되고 있음.  최근에는 뇌 영역들 간 기능적 커뮤니케이션을 반영하는 것으로 여겨지는 resting-state fMRI(rs-fMRI)를 이용해, 시간에 따른(time-series) 뇌 영역들 간의 coativation을 확인하고자 함.

 

이 논문은

1) rs-fMRI 획득과 분석 방법

2) 기능적 연결성과 뇌 백질 구조적 연결(시냅스 연결)과 어떻게 관련이 있는지

3) rs-fMRI 기법을 사용하여 어떻게 뇌의 기능적 연결성을 확인할 수 있는지

4) 그래픽 분석을 적용한 rs-fMRI를 통해 기능적 연결성의 구조를 탐색하는 방법

5) 뇌 영역들 간 효율적인 기능적 커뮤니케이션과 복잡한 행동과 인지적 능력 간 관계

6) Resting-state에서의 기능적 연결성을 통해 신경 퇴생성 질환과 뇌 질환을 어떻게 검사할 수 있는지를 알아보고자 함.  

2. Functional connectivity: resting-state fMRI

기능적 연결성은 휴지기(rest) 동안에 뇌 영역들 간의 활성화가 시간에 따라 어떤 패턴을 가지는지(activation 또는 deactivation)를 통해 연구함(rs-fMRI)

 

첫 연구는 Biswal과 동료들이(1995) 휴지기 동안 일차 운동 네트워크 좌우측 영역의 활성화가 time-series 높은 상관을 보인것을 확인하였고, 이는 휴지기 동안 이러한 영역들간 지속적인 정보처리와 기능적 연결성이 있음을 제안함(그림 1). 

그림 1

 

이후 연구들은 좌우측 운동피질의 기능적 연결성 뿐만 아니라, primary visual network, auditory network, attentional network 등 많은 기능적 네트워크를 발견함. 

 

이러한 연구들은 휴지기 동안 brain network는 조용히 있는 것이 아니라, 오히려 다양한 뇌 영역들 간 높은 상관을 가지는 수많은 자발성 활성화를 보여줌. 

3. Origin of spontaneous resting-state fMRI signals

흥미로운 것은 rs-fMRI time series에서의 낮은 주파수 진동(~0.01-0.1 Hz)임. 이 낮은 주파수가 호흡과 심장박동과 같은 생리학적 과정에서 발생하는지, 또는 자발적인 신경활동 패턴으로부터 발생하는지에 대한 많은 논쟁이 있음. 

 

fMRI의 낮은 temporal resoultion(1장의 사진을 얻는데 약 2~3초, 즉, 0.5 Hz)로 인해, 호흡과 신장박동이 낮은 resting-state 주파수(0.01-0.1 Hz)에 겹치됨. 이러한 결과로 time-series 동안 뇌 영역들 간 인위적인 상관 발생할 가능성이 있음.

 

하지만, rs-fMRI 연구들은 기능과 신경해부학적 위치가 공통적으로 겹치는 뇌 영역들간 기능적 연결성이 나타는 것을 확인함(예, 운동, 시각 및 청각 네트워크).   

 

또한, rs-fMRI 신경 신호는 주로 낮은 주파수(<0.1 Hz)이고 좀더 높은 주파수인 호흡과 심장박동 주파수는(>0.3 Hz) 미미한 영향을 미치는 것으로 나타남. 

 

추가적으로, rs-fMRI 상관의 진폭과 신경생리학적 측정을 통한 뉴런 발화 간 관계가 보고됨.

 

많은 연구들은 rs-fMRI 활성화 패턴이 실제 신경 활성화와 기능적 연결성을 반영하지보다 호흡과 심장박동과 같은 신경학적 변동이 아닌 부분이 얼마나 혼입되어 있는지로 논의가 옮겨짐. 따라서, 이러한 비-신경학적 영향을 줄이기 위한 많은 방법들이 연구 중임. 

 

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