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).
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.
댓글