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fMRI 원리 본문
fMRI 는 functional Magnetic Resonance Imaging 약자임. 뇌 속 혈액은 산소를 함유한 헤모글로빈을 포함하고 있음. 뇌 활동이 증가하면 혈류와 함께 산소 함량이 증가함. 헤모글로빈의 자기적 특성은 산소 상태에 따라 변화함. 자기적 특성이 변화할 때 발생하는 자기 공명 신호를 감지하여 이미지를 생성함. 뇌의 다양한 부위에서 변화를 측정하여 활동을 추적할 수 있음.
뇌의 어떤 부위가 사용될 때 산화 헤모글로빈 (산소와 결합된 헤모글로빈) 농도는 증가하고 환원 헤모글로빈 (산소가 분리된 헤모글로빈) 농도는 감소함.* 산화 헤모글로빈은 자성을 띄지 않지만 환원 헤모글로빈은 자성을 띌 수 있음. 이로 인해 proton 의 자기장 내 반응성에 영향을 미침. 이에 따라 MRI 촬영 시 T2 신호를 감소시키게 됨. 집합적으로 환원 헤모글로빈이 T2 신호를 감소시키더라도 신경 활동 중 T2 신호가 증가하는 것임. 신경 활성이 일어나면 환원 헤모글로빈 농도가 감소하므로* T2 신호는 증가하게 됨. T2 신호를 연속적으로 측정하면서 T2 신호가 증가하는 부위를 찾아내면 활성화된 뇌 부위로 추정할 수 있음.
특정 기능을 수행할 때 뇌가 활동을 하기 시작함. 활동을 하려면 에너지가 필요함. 에너지를 공급 받고자 포도당 대사가 늘어남. 포도당 공급을 위해 뇌 부위의 혈류와 혈약량이 늘어남. 혈류 내엔 변화가 일어나는 데 이를 BOLD (Blood-Oxygen-Level-Dependent) 라고 함. 결국 헤모글로빈에 결합된 산소 수준이 변화하면서 자기적 특성도 변화하게 되는데 이를 감지하여 뇌의 활동을 추적하는 것을 의미함.
T2 decay 는 Spin과 Spin 사이의 상호작용에 의해 Net magnetization 이 0이 되어가는 것을 의미함. T2* decay 는 Spin echo 에서 주로 발생하며 자장의 불균일성으로 인해 Spin echo 신호가 지속적으로 감소하는 것을 의미함. 결국 국소적 불균등 자장의 영향 (Inhomogeneous magnetic field) 에 의해 T2 decay 에 비해 훨씬 더 빠르게 decay 되는 것을 말함.
인지 활동은 뇌의 특정 부위에서 발생함. 인지 활동이 발생하면 신경 세포들 간 전기적 신호가 생성됨. 그러면서 해당 부위 혈류가 증가하게 됨. (neuro-vascular coupling 의 한 측면) 신경 활동이 뇌 세포들에 산소와 영양분을 공급하고자 혈관이 확장되고 혈액이 해당 부위로 흐르게 됨. 혈류가 증가하면 헤모글로빈의 산소량이 증가하고 자기적 특성이 변화함. (?) 이러한 BOLD 신호는 헤모글로빈의 자기적 특성을 감지하는 데 사용됨. MRI 기기는 BOLD 신호를 감지하여 이미지로 변환함. 뇌의 다양한 부위에서 혈액 산소화 수준의 변화를 측정하여 뇌 활동을 시각화함.
(? 확인) 환원 헤모글로빈은 자기장 속에서 자성을 띈 채 움직이게 되지만 산화 헤모글로빈은 자성의 성질을 잃어버려 MRI 신호가 나오지 않게 됨. 왼쪽 이미지는 신경 세포가 활성화되지 않을 때 산소를 운반하지 않는 헤모글로빈 (환원 헤모글로빈) 이 많아짐. 산소를 운반하지 않는 적혈구에서 나오는 신호가 많기 때문에 강한 MRI 신호가 잡히게 됨. 신경 세포가 활성화 되면 산소 소비량이 많아짐. 산소를 운반하는 적혈구가 많아짐. 따라서 MRI 신호가 낮아지게 되는 현상이 나타남.
