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뇌자도

뇌자도(腦磁圖, Magnetoencephalography, MEG)는 신경 세포들 사이의 전류 흐름으로 유도된 자기장을 측정하는 뇌기능영상법이다. 굉장히 민감한 자력계를 필요로 한다. 현재로서는 SQUID를 사용하는 경우가 대부분이며, 최근에는 SERF를 사용하는 방식도 탐구되고 있다.[1][2] 인지기능에 대한 연구 등의 기초 연구 분야와, 손상된 뇌 부위를 찾는 등의 임상 분야에서 모두 사용된다.[3]

뇌자도
뇌자도를 측정중인 사람
MeSHD015225

역사 편집

 
코언 박사가 MIT에서 제작한 초기 형태의 MEG.
 
코언 박사가 SQUID로 측정한 첫 번째 뇌자도도.

MEG 신호는 아직 SQUID가 개발되기 전인 1968년 일리노이 대학교의 물리학자 데이비드 코언이 구리 코일을 가지고 처음으로 측정하였다.[4] 당시에는 자기 배경 노이즈를 줄이기 위해 자기차폐된 공간을 만들어 거기서 MEG 신호를 측정하였다. 구리 코일 검출기의 민감도가 매우 낮아 당시 측정한 신호는 매우 부정확했다. 후에 코언은 MIT에서 훨씬 더 나은 차폐실 안에서 포드사의 연구원 제임스 E. 짐머만이 개발한 최초의 SQUID 탐지기 중 하나를 사용하여 MEG 신호를 다시 측정했다.[5][6] 이번에는 MEG 신호가 뇌전도 신호와 거의 비슷했다.

이후 SQUID를 통해 MEG를 측정하는 방법에 많은 변화가 생긴다. 처음에는 단일 SQUID 검출기를 통해 피험자의 머리 주위 여러 지점에서 자기장을 연속적으로 측정했다. 그러나 이 과정이 너무 번거로웠기 때문에 1980년대에는 머리의 넓은 영역을 덮을 수 있는 센서 배열을 제작하기 시작했다. 현대의 MEG 배열은 헬멧 모양의 진공 플라스크에 설치되어 있으며 일반적으로 300개의 센서가 머리 대부분을 덮는 형태로 제작된다.

스핀 교환 이완 자유(SERF) 자력계를 사용하여 MEG 스캐너의 휴대성을 증가시키는 방안도 모색되었다. SERF 자력계는 부피가 큰 냉각 시스템이 필요하지 않기 때문에 SQUID MEG 기기보다 더 작으면서도 동등한 민감도를 가지는 것이 가능하다. 2012년, MEG는 칩 크기의 원자 자력계(CSAM, SERF의 일종)로도 측정할 수 있다는 것이 증명되었다.[7] 2017년에 연구원들은 휴대용 개별 3D 프린팅 헬멧에 설치된 SERF 자력계를 사용하는 작업 프로토타입을 만들었는데, 그들은 인터뷰에서 자전거 헬멧과 같이 미래에 사용하기 더 쉬운 것으로 교체할 수 있다고 말했다.[8]

뇌자도 신호 편집

 
뇌에서 자기장이 생성되는 원리에 대한 도식

신경세포들이 동기화되어 전류가 흐를 때 일종의 쌍극자처럼 기능하기 때문에 전자기유도에 의해 축을 중심으로 한 자기장이 유도된다.[9] 이 때 피질의 자기장은 대략 10 fT정도로 알파파의 경우는 1 pT정도이다. 신호를 측정하기 위해 대략 5만개의 뉴런이 동시에 활성화되어야한다.[10] 이와 같은 활성은 대뇌 피질에 수직으로 배치되어있는 피라미드 세포층에서 주로 일어난다. 이 세포들은 주로 대뇌고랑에 배치되어있다. 또한 1 pT는 대략 0.1 μT 수준인 자연 속 자기장 노이즈보다 십만 배가량 적은 수치이기 때문에 주위의 자기장 노이즈를 차폐하는 것이 가장 중요한 문제 중 하나이다.

활동전위는 일반적으로 자기신호를 만들어내지 못하는데, 이는 활동전위로 인한 자기장들은 거시적 관점에서는 서로 상쇄되는 것이 일반적이기 때문이다. 그러나 말초신경의 경우는 활동전위의 자도를 측정하는 것이 가능하다.

각주 편집

  1. ↑ Hämäläinen, Matti; Hari, Riitta; Ilmoniemi, Risto J.; Knuutila, Jukka; Lounasmaa, Olli V. (1993). “Magnetoencephalography—theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain” (PDF). 《Reviews of Modern Physics》 65 (2): 413–497. Bibcode:1993RvMP...65..413H. doi:10.1103/RevModPhys.65.413. ISSN 0034-6861. 
  2. ↑ Boto, Elena; Holmes, Niall; Leggett, James; Roberts, Gillian; Shah, Vishal; Meyer, Sofie S.; Muñoz, Leonardo Duque; Mullinger, Karen J.; Tierney, Tim M. (March 2018). “Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system”. 《Nature》 (영어) 555 (7698): 657–661. Bibcode:2018Natur.555..657B. doi:10.1038/nature26147. ISSN 1476-4687. PMC 6063354. PMID 29562238. 
  3. ↑ Carlson, Neil R. (2013). 《Physiology of Behavior》. Upper Saddle River, NJ: Pearson Education Inc. 152–153쪽. ISBN 978-0-205-23939-9. 
  4. ↑ Cohen D (August 1968). “Magnetoencephalography: evidence of magnetic fields produced by alpha-rhythm currents”. 《Science》 161 (3843): 784–6. Bibcode:1968Sci...161..784C. doi:10.1126/science.161.3843.784. PMID 5663803. S2CID 34001253. 
  5. ↑ Zimmerman JE, Theine P, Harding JT (1970). “Design and operation of stable rf-biased superconducting point-contact quantum devices, etc”. 《Journal of Applied Physics》 41 (4): 1572–1580. doi:10.1063/1.1659074. 
  6. ↑ Cohen D (February 1972). “Magnetoencephalography: detection of the brain's electrical activity with a superconducting magnetometer” (PDF). 《Science》 175 (4022): 664–6. Bibcode:1972Sci...175..664C. doi:10.1126/science.175.4022.664. PMID 5009769. S2CID 29638065. 
  7. ↑ Sander TH, Preusser J, Mhaskar R, Kitching J, Trahms L, Knappe S (May 2012). “Magnetoencephalography with a chip-scale atomic magnetometer”. 《Biomedical Optics Express》 3 (5): 981–90. doi:10.1364/BOE.3.000981. PMC 3342203. PMID 22567591. 
  8. ↑ Boto, Elena; Holmes, Niall; Leggett, James; Roberts, Gillian; Shah, Vishal; Meyer, Sofie S.; Muñoz, Leonardo Duque; Mullinger, Karen J.; Tierney, Tim M. (March 2018). “Moving magnetoencephalography towards real-world applications with a wearable system”. 《Nature》 (영어) 555 (7698): 657–661. Bibcode:2018Natur.555..657B. doi:10.1038/nature26147. ISSN 1476-4687. PMC 6063354. PMID 29562238. 
  9. ↑ Hämäläinen, Matti; Hari, Riitta; Ilmoniemi, Risto J.; Knuutila, Jukka; Lounasmaa, Olli V. (1993년 4월 1일). “Magnetoencephalography---theory, instrumentation, and applications to noninvasive studies of the working human brain”. 《Reviews of Modern Physics》 65 (2): 413–497. Bibcode:1993RvMP...65..413H. doi:10.1103/RevModPhys.65.413. 
  10. ↑ Okada Y (1983). 〈Neurogenesis of evoked magnetic fields〉. Williamson SH, Romani GL, Kaufman L, Modena I. 《Biomagnetism: an Interdisciplinary Approach》. New York: Plenum Press. 399–408쪽. ISBN 978-1-4757-1785-3. 
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