뇌 활동을 찍는 fMRI의 한계

안녕하세요?

NEWTON 2017년 4월호에 있는 [뇌의 활동을 영상화 할 수 있는 fMRI]라는 기사를 읽고나서, 뇌의 활동을 측정할 수 있다는 fMRI의 한계가 있다는 것을 포스팅 하고자 합니다.

우선 본격적인 fMRI를 설명하기에 앞서서, MRI가 어떤 원리로 움직이는 지 설명을 해야 겠다는 생각이 듭니다. 우선 아래의 그림을 봐 주시기 바랍니다.

우선 원자의 원자핵은 막대 자석과 같이 자기장을 내뿜고 있습니다. 이 원자핵은 가만히 있는 것이 아니라 위 그림에서 보이는 방향으로 회전을 하고 있으며, 이런 회전에 의해서 각각의 원자핵은 특정한 방향으로 자기장을 발산하고 있습니다.

일단 MRI라는 기기안에서 A,B,C 라는 원자핵이 있습니다. 각자 그냥 가만히 있는 상태에서는 각기 다른 방향으로 자기장을 내뿜고 있습니다. 이 MRI공간 전체에 아래의 그림과 같이 자기장을 한쪽 방향으로 걸어줍니다.

위 그림처럼 한쪽 방향으로 MRI공간 전체에 자기장이 걸리면, 모든 원자핵은 세라운동이라고 해서 마치 팽이가 도는 것 처럼 일종의 워뿔처럼 움직임을 모두 보이게 됩니다.

이렇게 모든 원자핵들이 세라운동을 할때, 라머 주파수라고 해서 세라운동과 일치하는 주파수의 전자기파를 세라운동 중인 원자핵에 쏩니다. 그러면 세라운동이 라머 주파수에 공명해서 거대한 회전 운동을 하고, 이 회전운동은 거대한 구리코일에 전류를 발생시킵니다.

여기서 라머 주파수를 멈추면 다시 팽이처럼 움직이는 세라운동을 하는데, 이 때 원자핵마다 돌아가는 속도가 다릅니다. 한 예로 물에 붙은 수소의 원자핵과 지방에 붙은 수소의 원자핵이 세라운동으로 돌아가는 속도에 차이가 납니다. 이 속도의 차이를 비교하게 됩니다.

물론 실제로는 라머 주파수를 줬다가 중단하기를 여러번 반복하게 됩니다. 

여기까지 장황하게 MRI의 설명을 하였습니다. 이런 설명을 한 이유는 바로 이 원리가 fMRI에서도 똑같이 적용이 된다고 합니다. 일단 산소가 없는 헤모글로빈은 자기장 속에서 자성을 띄어서 움직이게 됩니다. 그러나 산소화 헤모글로빈이 결합하면 자성을 띄는 성질을 잃어버려서 더는 MRI 신호가 나오지 않게 됩니다.

위 그림을 보시면 한번에 눈에 들어오실 것이라고 생각이 듭니다. 좌측을 보시면 신경세포가 활성화 되지 않았을 때, 산소를 운반하지 않는 헤모글로빈이 들어간 적혈구가 많아집니다. 그리고 이 산소운반하지 않는 적혈구에서 나오는 신호가 많기 때문에 강한 MRI신호가 잡히게 됩니다.

그럼 반대로 신경세포가 활성화 되면, 산소 소비량이 많아질 것이고, 그에 따라서 산소를 운반하는 헤모글로빈의 숫자가 많아지게 됩니다. 그에 따라서 MRI의 신호 역시 낮아지게 되는 현상이 벌어지게 됩니다. 결론부터 말하면 다음과 같습니다.

fMRI는 뇌의 신경세포가 아니라, 뇌 혈관속에 있는 산소의 운반량을 측정한다.

이 때문에 fMRI가 살아있는 생명체의 뇌속을 엿볼 수 있는 기술이기는 합니다만, 신경세포를 직접 들여다 보지 못한다는 한계점이 있습니다. 물론 산소 운반량이 많아지면 신경세포가 활성화 되었다고 볼 수는 있지만, 이것이 직접 신경세포를 측정하는 기술이 아니라는 것은 언제나 명심해야 하는 사항이라는 생각이 듭니다.