【뇌과학올림피아드】 5강. 뇌공학

5강. 뇌공학(Brain-engineering)

 

추천글 : 【생물학】 뇌과학올림피아드 목차

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1. 뇌공학의 정의와 적용 분야 [본문]

2. 뇌공학의 기초이론 [본문]

3. 뇌신호 처리 [본문]

4. 뇌기능 제어 [본문]

5. 뇌공학 사례 [본문]

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1. 뇌공학의 정의와 적용 분야 [목차]

⑴ 정의 : 뇌기능의 원리와 이를 인공 시스템과 연결하는 기술을 연구하는 학문

⑵ 분야 : 인공지능, 인지로봇, BCI, 뇌영상 처리, 컴퓨터 이미징, 패턴 인식, Neuron-on-a-Chip, 생체모방, 가상현실, 나노바이오공학, 신경정보학, 신경모델링, Neural Microsystem, Optogenetics 등

 

 

2. 뇌공학의 기초이론 [목차]

⑴ 신경 부호화(Neural Encoding)

① 동조곡선(Tuning Curve): 근육이 향하는 방향에 따른 신경 자극의 강도에 대한 그래프

⑵ Aliasing and Nyquist Sampling Theory : 샘플링 주파수는 최소한 원래 주파수의 2 이상의 정수배여야 함

⑶ 신경모방 시스템(Neuromorphic System)

① 정의 : 뇌의 생물학적 신경 기작을 모방하여 지각 인지, 제어 기능을 수행하는 전자 시스템

② 목표 : 뇌의 기능을 모방하여 최종적으로 적은 비용으로 고효율을 창출하는 것

⑷ STDP(Spike Time Dependent Plasticity)

① 기억의 정의 : 시냅스 전에 있는 j번째 뉴런과 시냅스 후에 있는 i번째 뉴런의 시냅스 강도 ω_ij의 변화

② 시냅스 강도 변화는 시냅스전 뉴런의 송신시간(t_j^pre)과 시냅스후 뉴런의 수신시간(t_i^post)의 차이에 대한 함수임

⑸ Memristor(Memory Resistor)

① 저항, 인덕터, 캐패시터에 이어 4대 전자소자 구성

② 수식화

 

 

③ 전류의 값을 기억

⑹ 인공 신경망 : 딥러닝 알고리즘 

① McCulloch-Pitts 모델의 가설

○ 뉴런은 실무율의 법칙을 따름

○ 어떤 뉴런을 흥분시키려면, 2개 이상의 고정된 수의 시냅스가 일정한 시간 내에 활성화돼야 함

○ 신경 시스템에서 유일하게 의미 있는 시간지연은 시냅스에서만의 지연이다.

○ 어떠한 억제 시냅스는 그 시각의 뉴런의 활성화를 절대적으로 방지

○ 인간과 달리 신경망의 구조가 시간에 따라 변하지 않음

② 기계학습(Machine Learning)

○ 지도학습(Supervised Learning) : 정확한 정보를 알고 있는 샘플들로 집합의 규칙을 알아내는 것

○ 자율학습(Unsupervised Learning) : 명시적 정보가 없는 샘플들로 집합의 규칙을 알아내는 것

○ 강화학습(Reinforcement Learning) : 보상-행동 체계를 이용

 

 

3. 뇌신호 처리 [목차]

⑴ 뇌공학 기법들의 공간적 - 시간적 해상도, 침습 정도

① EEG : 20 mm - 0.001초, 비침습적

② IEEG : 3 mm - 0.001초, 침습적

③ MEG : 3 mm - 0.001초, 비침습적

④ MRS : 10 mm - 0.1초, 비침습적인 편

⑤ fMRI : 3 mm - 3.3초, 비침습적인 편

⑥ PET : 3 mm - 33초, 약간 침습적

⑦ SPECT : 7 mm - 1000초, 보통

⑵ 뇌전도(electroencephalogram; EEG)

① 개요

○ 정의 : 뇌신경세포의 활동에 수반되어 생성되는 전기적 변화를 외부에서 측정하고 기록하는 검사

○ 1875년 : Coton이 동물의 뇌의 전기활동을 기록

○ 1925년 : Nemunski가 개의 뇌전도를 연구

○ 1929년 : Hans Berger가 EEG에서 α 파와 β 파를 발견

○ 1933년 : Adrin이 뇌파 증명, 임상 응용

② 방법

○ lead 수가 128, 64, 32, 20, 16, 10, ···, 2개 등 여러 방법이 있음 

○ lead 부착 위치는 international 10-20 system을 따름

③ 분석

○ 시간 영역 : 뇌파가 시간에 따라 어떻게 변하는지 조사

○ 주파수 영역 : EEG의 스펙트럼 조사

○ 프랙탈 기하학 분석이 사용됨 

④ 신호 처리

○ 필터링(filtering) : 원치 않는 신호(예. 노이즈)를 제거

○ 푸리에 분석(Fourier analysis) : 뇌파 신호를 여러 개의 사인파로 분해하는 것

○ 웨이브릿 분석(wavelet analysis) : 시간과 주파수 영역의 정보를 모두 이용, 불확정성 원리에 의해 시간과 주파수 간 균형이 존재

 

 

⑤ 종류 : 주파수가 낮을수록 졸릴 때의 증상과 비슷함 

⑥ 종류 1. 델타(δ)파

○ 4 Hz 미만, 가장 진폭이 큼

○ 깊은 수면, 중증 뇌장애에서 관찰

○ 관련 연구 : 깊은 수면(Steriade, 1993), 큰 스케일의 피질 통합(Bruns & Eckhorn, 2004), 신피질·시상피질 네트워크(Steriade, 1999)

⑦ 종류 2. 세타(θ)파

○ 4-8 Hz

○ 신생아에서 주로 나타남

○ 성인의 경우 정신적 스트레스, 작업기억(working memory), 반복적 행동

○ 관련 연구 : 수면 중에 감지, 해마(Kahana et al., 1999), 시상 핵(Hughes et al., 2004), 시상 피질 루프(Talk et al., 1999), 작업기억 기능

⑧ 종류 3. 알파(α)파

○ 8-13 Hz

○ 안정(relaxation) 시에 주로 나옴

○ 관련 연구 : Berger(1924), PLI(phase-locking index), 위상 일관성

 

 

⑨ 종류 4. 베타(β)파

○ 13-30 Hz

○ 시각적 자극, 연상, 운동시 주로 나타남

⑩ 종류 5. 감마(γ)파

○ 30 Hz 이상

○ 주의, 어려운 의미 해석시

⑪ 종류 5. 간질파

⑫ 응용 1. 수면

○ 렘수면(REM) : 골격근 이완, 눈 운동 ↑, 호흡 ↑, 심장 박동 ↑

○ 비렘수면(NREM) : 숙면상태

⑶ EMG(electromyography)

① 근전도 근육의 전기적 현상을 기록. 매우 아픔 

⑷ X선 촬영

① 뢴트겐(Röntgen) 박사가 1895년 11월 8일에 우연하게 X선을 발견

○ 1900년에 이미 활발히 사용됨

○ 1901년 뢴트겐은 이 공로로 첫 번째 노벨 물리학상을 수항

 

출처 : 서울대학교 의대 황영일 교수, 사람 뇌의 구조와 기능 수업

Figure. 1. 뢴트겐 박사와 당시의 X-ray 영상^]

 

② 물질의 원자량과 밀도에 따라 X선의 투과도가 결정

○ X선이 시료 혹은 환자를 통과한 투과량을 측정

○ 원자량과 밀도가 모두 높은 금속이나 뼈는 X선이 거의 통과하지 못함

○ X선은 인체에서 폐(공기), 지방, 물, 백질, 회질, 뼈 순으로 잘 통과

○ 투과도가 높은 조직일수록 X선 영상에서 검게 보임

③ 혈관에 조영제를 주입하면 혈관의 모양이 보이기도 함; 조영제 응용 기술은 MRI에서도 자주 쓰임

○ 동맥조영술(Arteriography)

○ Dynamic Angiography : 약물이 동맥에서 정맥으로 가는 흐름을 알 수 있음

④ 방사선 피폭으로 인해 자주 쓰면 해로움

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 2. X선 분석 기법의 모식도 ^]

 

⑸ 양전자 방출 다층 촬영술(PET; Positron Emission Tomography)

① 임상적 절차

○ 1^st. 특수한 방사성 동위원소가 표지된 [¹⁵O]H₂O나 [¹⁸F]FDG를 주사

○ 주로 포도당 방사성 동위원소 이용 

○ 2^nd. 활성화된 뇌 부위에 혈류 및 포도당 대사 집중 

○ 3^rd. 해당 부위에서 방사성동위원소가 분해하여 에너지 방출 

○ 4^th. 방출된 에너지를 감지해서 활성화된 부위 식별 

② 특정 신경전달물질의 수용체가 어디에 얼마나 분포하는지 영상화 가능

○ 특정 수용체에 결합하는 리간드에 방사성 동위원소를 표지하면 됨

○ 장점 : 정신질환의 병리를 분자 수준에서 직접 조사, 정신약물학 분야에서 활발히 연구

③ 단점 : 방사성 동위원소의 유해성, 정맥주사 

⑹ 전산화 단층 촬영(computed tomography; CT) : 3D 컴퓨터 분석

① Allan Cormack, Godfrey Hounsfield는 CT 발명의 공로로 1979년 노벨상 수상 

② 방사선원으로 X-ray나 PET를 사용하고 보통 X-ray를 많이 사용 

③ X-ray나 PET를 여러 방향에서 투과시킨 뒤 조직에서 흡수되는 차이를 디지털 수치화하여 표면 단면 영상을 생성 

④ 단순 X-ray 영상에 비해 조직 사이의 음영 대조도(투과도 차이)를 정확하게 구분할 수 있음

⑤ 뇌의 구조적 병변(예 : 뇌출혈, 뇌종양, 뇌실의 확장 여부)를 쉽게 찾을 수 있음

 

출처 : 사람 뇌의 구조와 기능, 박선원 교수

Figure. 3. CT의 원리^]

X-선 튜브와 디텍터가 서로 마주보면서 계속 회전함

 

⑺ 자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging)

① 과정

○ 1^st. MRI는 Shim 코일과 Gradient 코일로 둘러싸인 솔레노이드 구조로 구성

○ 2^nd. MRI 내 강한 자기장이 형성되면 ¹H의 원자 자기모멘트 방향이 자기장 방향과 나란해짐

○ 3^rd. RF 송신기가 고강도의 무선주파수(RF; Radio Frequency)를 보냄

○ 4^th. 핵자기공명(NMR; Nuclear Magnetic Resonance) : ¹H가 일부 RF와 공명하여 에너지를 흡수

○ 5^th. 에너지를 흡수한 ¹H는 원자 자기모멘트의 방향이 바뀜

○ 6^th. 그 ¹H는 이내 에너지를 방출하면서 원래 방향으로 자기모멘트가 복귀

○ 낮은 에너지 준위로 되돌아오는 데 걸리는 시간은 조직마다 상이

○ 7^th. 자기모멘트의 변화가 RF 수신기에 유도 전류 및 유도 전압을 생성

○ 8^th. ADC가 푸리에 변환 등을 이용해 RF 신호를 디지털 신호로 전환

○ 9^th. 3^rd-8^th의 과정을 반복하여 ¹H의 복귀 시간을 조사하여 영상화 및 스펙트럼 분석(MRS; Magnetic Resonance Spectroscopy) 

② 특징

○ 뇌를 1 mm 단위까지 자세히 보여줌 

○ 백질과 회백질 구별 가능

○ 용적측정술 : MRI 이미지를 3차원화하여 특정 부위의 용적을 측정하는 것, 정신질환 연구에 흔히 사용

③ 예시

○ 주의사항 : Horizontal View에서 MRI 사진은 항상 좌우반전; 발끝에서 올려다 보는 관점이기 때문 (Figure. 8-10)

○ 측면(Lateral) 시점에서의 뇌

 

출처 : 서울대학교 의대 황영일 교수, 사람 뇌의 구조와 기능 수업

Figure. 4. 측면(Lateral) 시점의 뇌

 

○ 안쪽(Medial) 시점의 뇌

 

출처 : 서울대학교 의대 황영일 교수, 사람 뇌의 구조와 기능 수업

Figure. 5. 안쪽(Medial) 시점의 뇌

 

○ 상부(Superior) 시점의 뇌

 

출처 : 서울대학교 의대 황영일 교수, 사람 뇌의 구조와 기능 수업

Figure. 6. 상부(Superior) 시점의 뇌

 

○ 관상(Coronal) 시점의 뇌

 

출처 : 서울대학교 의대 황영일 교수, 사람 뇌의 구조와 기능 수업

Figure. 7. 관상(Coronal) 시점의 뇌

 

⑻ 기능적 MRI(functional MRI; fMRI)

① 혈액산소수준의존효과(BOLD, Blood Oxygenation Level Dependent Effect) (DeYoe et al., 1994)

○ 단계 1. 뇌 활동 증가 → 산소 섭취 증가, 뇌 혈류 증가

○ 뇌 혈류 증가 : 산소화된 헤모글로빈을 전달하기 위함 

○ 단계 2. oxyHb 증가, deoxyHb 감소

○ oxyHb : 산소화된 헤모글로빈(oxygenated hemoglobin). 반자성으로 자기 모멘트가 굉장히 작음

○ deoxyHb : 탈산소화된 헤모글로빈(deoxygenated hemoglobin). 스핀 4의 상자성으로 자기 모멘트가 큼

○ 단계 3. magnetic susceptibility 감소 → T2* 증가

○ 단계 4. T2*-weighted image의 신호 강도인 I_xy가 증가 → 이미지가 밝아짐

② 일차 운동 피질(Primary Motor Cortex)의 fMRI

 

출처 : 서울대학교 의대 황영일 교수, 사람 뇌의 구조와 기능 수업

Figure. 8. 우측 손 운동을 통해 얻은 fMRI 

좌뇌가 활성화돼 있다.

 

③ 운동성 언어중추(Motor Speech Area)의 fMRI

 

출처 : 서울대학교 의대 황영일 교수, 사람 뇌의 구조와 기능 수업

Figure. 9. 단어 말하기 과제를 통해 얻은 fMRI

좌뇌가 활성화돼 있다.

 

④ 감각성 언어중추(Sensory Speech Area)의 fMRI

 

출처 : 서울대학교 의대 황영일 교수, 사람 뇌의 구조와 기능 수업

Figure. 10. 언어 듣기 과제를 통해 얻은 fMRI

좌뇌가 활성화돼 있다.

 

⑤ 시각 피질(Visual Cortex)의 fMRI

 

출처 : 서울대학교 의대 황영일 교수, 사람 뇌의 구조와 기능 수업

Figure. 11. 양안의 시각 자극을 통해 얻은 fMRI

 

⑼ 뇌자도(magnetoencephalography; MEG)

① 뇌에서 발생한 전기에 의해 형성된 자기를 감지하여 MRI 위에 영상화한 것

② 전기장은 두개골과 두파를 지나오면서, 파형이 방해를 받아 전기가 발생한 위치를 정확히 알기 힘듦

③ 자기장은 방해를 더 받기 때문에 뇌의 활성 부위를 정확히 알 수 있음, 즉 공간해상도 매우 향상

⑽ 확산텐서영상(diffusion tensor imaging; DTI) 

① MRI에서 물 분자의 확산 정도를 이용해서 백질 경로의 위치와 방향을 알아내는 것

② 빽빽하게 밀집된 공간에서 신경섬유의 주행 방향으로는 물 분자의 확산운동이 잘 일어나고, 수직 방향으로는 확산운동이 잘 일어나지 않음을 이용한 방법

③ 실제 해부를 하지 않고 신경섬유의 방향을 알 수 있는 유일한 방법

④ 트랙토그래피(Tractography) : DTI를 통해 얻어진 데이터로 신경경로를 시각화해 나타내는 기술

⑤ 물의 확산 방향을 최소 6가지 방향으로 추적할 수 있음

⑥ 1.5 T 이상의 자기장으로 충분함

⑦ 빠른 MR 신호 획득을 위해 echo-planar imaging을 함

⑾ 근적외선 분광법(near infrared spectroscopy; NIRS)

① Beer-Lambert 법칙 이용

 

 

 

 

4. 뇌기능 제어 [목차]

⑴ 침습성 도구 : 뇌에 부담을 줌

① EpCS

② 뇌심부자극술(DBS; Deep Brain Stimulation)

③ 초음파 

④ 기실촬영(Penumoencephalogram) : 뇌실에 공기를 주입하여 뇌를 촬영하는 기법

⑵ 비침습성 도구 : 제한적인 정보

① 경구개 자기 자극술(TMS; Transcranial Magnetic Stimulation)

② tDCS

⑶ 광 유전학(Optogenetics)

⑷ BBI(Brain-to-Brain Interface)

 

 

5. 뇌공학 사례 [목차]

⑴ 거짓말 탐지

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 12. MRI를 활용한 거짓말 탐지기, San Diego, USA^]

 

⑵ 꿈 해독

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 13. 꿈 해독

입력: 2014.02.13 18:22

수정: 2018.09.19 00:01