[국내논문]한국인 뇌 표준판과 해부학적 및 세포구축학적 확률뇌지도를 이용한 뇌영상 정량화 Quantification of Brain Images Using Korean Standard Templates and Structural and Cytoarchitectonic Probabilistic Maps원문보기
목적: 다수의 뇌 자료를 기반으로 구성된 통계적 화률뇌지도는 복잡하고 개인적인 편차가 큰 뇌의 형태학적, 기능적 특성을 분석하는데 유용하다. 특히 최근에 한국인의 정상 MR 영상을 기반으로 한 구조적 기능적 뇌 표준판과 구조적 확률뇌지도가 완성되었으며. 부검뇌의 조직절편을 활용한 세포구축학적 확률뇌지도가 도입되었다. 이 연구에서는 이들 자료를 활용하여 뇌 영상의 국소계수를 객관적으로 측정하기 위한 정량화 기법을 개발하였으며, 이를 이용하여 정상 한국인의 뇌 영상자료를 분석하였다. 대상 및 방법 : T1 MRI와 FDG PET에 대한 뇌 표준판을 성별, 연령별로 개발하였으며, 한국인 정상 MR 영상으로 만들어진 89개 뇌 영역의 구조적 확률뇌지도와 독일 율리히 연구센터에서 도입한 13개 브로드만 영역에 대한 세포구축학적 확률뇌지도를 뇌 표준판 위로 각각 비선형 변환하였다. 확률뇌지도에 정의된 각 뇌 영상의 국소계수는 확률에 의한 가중평균 또는 가중합으로 구하였다. 확률뇌지도를 이용한 예비 연구로 정상 노화에 따른 포도당대사의 변화가 대상회 내에서 전 후 위치에 따라 다르게 나타나는 가를 조사하였다. 결과: SPM과의 연계된 사용을 고려하여 Matlab 상에서 작성된 정량화 프로그램은 20초 미만에 1개의 공간정규화된 영상을 처리할 수 있었다. 대상회 포도당 대사에 대한 분석에서 후대상회에 대한 문측-전대상회 및 미측-전대상회의 계수 비는 정상 노화에 따라 매우 유의하게 감소하였다. 즉. 문측-전대상회/후대상회는 매 10년마다 3.1%씩 감소하였으며($P<10^{-11}$, r=0.81) 미측-전대상회/후대상회는 1.7%씩 감소하였다($P<10^{-8}$, r=0.72). 문측-전대상회와 미측-전대상회의 계수비 감소 역시 유의하였다(P<0.0005. r=0.52, 1.5%/year). 결론: 서양인 뇌에 기반한 확률뇌지도는 그동안 제한적으로만 사용되어 왔으나 한국인 뇌 표준판과 확률뇌지도 및 이 연구에서 개발한 정량화 기법은 일반에 공개하기로 하여 더욱 널리 쓰이게 되면 국내 뇌 연구 활성화에 기여할 것으로 기대 된다.
목적: 다수의 뇌 자료를 기반으로 구성된 통계적 화률뇌지도는 복잡하고 개인적인 편차가 큰 뇌의 형태학적, 기능적 특성을 분석하는데 유용하다. 특히 최근에 한국인의 정상 MR 영상을 기반으로 한 구조적 기능적 뇌 표준판과 구조적 확률뇌지도가 완성되었으며. 부검뇌의 조직절편을 활용한 세포구축학적 확률뇌지도가 도입되었다. 이 연구에서는 이들 자료를 활용하여 뇌 영상의 국소계수를 객관적으로 측정하기 위한 정량화 기법을 개발하였으며, 이를 이용하여 정상 한국인의 뇌 영상자료를 분석하였다. 대상 및 방법 : T1 MRI와 FDG PET에 대한 뇌 표준판을 성별, 연령별로 개발하였으며, 한국인 정상 MR 영상으로 만들어진 89개 뇌 영역의 구조적 확률뇌지도와 독일 율리히 연구센터에서 도입한 13개 브로드만 영역에 대한 세포구축학적 확률뇌지도를 뇌 표준판 위로 각각 비선형 변환하였다. 확률뇌지도에 정의된 각 뇌 영상의 국소계수는 확률에 의한 가중평균 또는 가중합으로 구하였다. 확률뇌지도를 이용한 예비 연구로 정상 노화에 따른 포도당대사의 변화가 대상회 내에서 전 후 위치에 따라 다르게 나타나는 가를 조사하였다. 결과: SPM과의 연계된 사용을 고려하여 Matlab 상에서 작성된 정량화 프로그램은 20초 미만에 1개의 공간정규화된 영상을 처리할 수 있었다. 대상회 포도당 대사에 대한 분석에서 후대상회에 대한 문측-전대상회 및 미측-전대상회의 계수 비는 정상 노화에 따라 매우 유의하게 감소하였다. 즉. 문측-전대상회/후대상회는 매 10년마다 3.1%씩 감소하였으며($P<10^{-11}$, r=0.81) 미측-전대상회/후대상회는 1.7%씩 감소하였다($P<10^{-8}$, r=0.72). 문측-전대상회와 미측-전대상회의 계수비 감소 역시 유의하였다(P<0.0005. r=0.52, 1.5%/year). 결론: 서양인 뇌에 기반한 확률뇌지도는 그동안 제한적으로만 사용되어 왔으나 한국인 뇌 표준판과 확률뇌지도 및 이 연구에서 개발한 정량화 기법은 일반에 공개하기로 하여 더욱 널리 쓰이게 되면 국내 뇌 연구 활성화에 기여할 것으로 기대 된다.
Purpose: Population based structural and functional maps of the brain provide effective tools for the analysis and interpretation of complex and individually variable brain data. Brain MRI and PET standard templates and statistical probabilistic maps based on image data of Korean normal volunteers h...
Purpose: Population based structural and functional maps of the brain provide effective tools for the analysis and interpretation of complex and individually variable brain data. Brain MRI and PET standard templates and statistical probabilistic maps based on image data of Korean normal volunteers have been developed and probabilistic maps based on cytoarchitectonic data have been introduced. A quantification method using these data was developed for the objective assessment of regional intensity in the brain images. Materials and Methods: Age, gender and ethnic specific anatomical and functional brain templates based on MR and PET images of Korean normal volunteers were developed. Korean structural probabilistic maps for 89 brain regions and cytoarchitectonic probabilistic maps for 13 Brodmann areas were transformed onto the standard templates. Brain FDG PET and SPGR MR images of normal volunteers were spatially normalized onto the template of each modality and gender. Regional uptake of radiotracers in PET and gray matter concentration in MR images were then quantified by averaging (or summing) regional intensities weighted using the probabilistic maps of brain regions. Regionally specific effects of aging on glucose metabolism in cingulate cortex were also examined. Results: Quantification program could generate quantification results for single spatially normalized images per 20 seconds. Glucose metabolism change in cingulate gyrus was regionally specific: ratios of glucose metabolism in the rostral anterior cingulate vs. posterior cingulate and the caudal anterior cingulate vs. posterior cingulate were significantly decreased as the age increased. 'Rostral anterior'/'posterior' was decreased by 3.1% per decade of age ($P<10^{-11}$, r=0.81) and 'caudal anterior'/'posterior' was decreased by 1.7% ($P<10^{-8}$, r=0.72). Conclusion: Ethnic specific standard templates and probabilistic maps and quantification program developed in this study will be useful for the analysis of brain image of Korean people since the difference in shape of the hemispheres and the sulcal pattern of brain relative to age, gender, races, and diseases cannot be fully overcome by the nonlinear spatial normalization techniques.
Purpose: Population based structural and functional maps of the brain provide effective tools for the analysis and interpretation of complex and individually variable brain data. Brain MRI and PET standard templates and statistical probabilistic maps based on image data of Korean normal volunteers have been developed and probabilistic maps based on cytoarchitectonic data have been introduced. A quantification method using these data was developed for the objective assessment of regional intensity in the brain images. Materials and Methods: Age, gender and ethnic specific anatomical and functional brain templates based on MR and PET images of Korean normal volunteers were developed. Korean structural probabilistic maps for 89 brain regions and cytoarchitectonic probabilistic maps for 13 Brodmann areas were transformed onto the standard templates. Brain FDG PET and SPGR MR images of normal volunteers were spatially normalized onto the template of each modality and gender. Regional uptake of radiotracers in PET and gray matter concentration in MR images were then quantified by averaging (or summing) regional intensities weighted using the probabilistic maps of brain regions. Regionally specific effects of aging on glucose metabolism in cingulate cortex were also examined. Results: Quantification program could generate quantification results for single spatially normalized images per 20 seconds. Glucose metabolism change in cingulate gyrus was regionally specific: ratios of glucose metabolism in the rostral anterior cingulate vs. posterior cingulate and the caudal anterior cingulate vs. posterior cingulate were significantly decreased as the age increased. 'Rostral anterior'/'posterior' was decreased by 3.1% per decade of age ($P<10^{-11}$, r=0.81) and 'caudal anterior'/'posterior' was decreased by 1.7% ($P<10^{-8}$, r=0.72). Conclusion: Ethnic specific standard templates and probabilistic maps and quantification program developed in this study will be useful for the analysis of brain image of Korean people since the difference in shape of the hemispheres and the sulcal pattern of brain relative to age, gender, races, and diseases cannot be fully overcome by the nonlinear spatial normalization techniques.
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문제 정의
16,17,22-27) 이 논문에서는 뇌 표준판의 개발과정을 상세히 설명하고, 뇌 표준판 과 확률뇌지도를 활용하여 뇌 영상의 국소계수를 객관적으로 측정할 수 있는 정량화 프로그램을 개발하였음을 보고하고, 이를 이용하여 정상 한국인의 뇌 영상자료를 분석하였다.
특히 최근에 한국인의 정상 MR 영상을 기반으로 한 구조적, 기능적 뇌 표준판과 구조적 확률 뇌지도가 완성되었으며, 부검뇌의 조직절편을 활용한 세포구 축학적 확률뇌지도가 도입되었다. 이 연구에서는 이들 자료를 활용하여 뇌 영상의 국소계수를 객관적으로 측정하기 위한 정량화 기법을 개발하였으며, 이를 이용하여 정상 한국인의 뇌 영상자료를 분석하였다.
이 연구에서는 한국인 뇌 표준판 및 해부학적 확률뇌지도 세포구축학적 확률뇌지도를 활용하여 뇌 영상의 국소계수를 객관적으로 측정하기 위한 정량화 기법을 개발하였으며, 이를 이용하여 정상 한국인의 뇌 영상자료를 분석하였다. 서양인 뇌에 기반한 뇌 표준판 및 확률뇌지도는 그동안 제한적으로만 사용되어 왔으나 이 연구에서 개발한 정량화 기법은 일반에 공개하기로 하였 으므로 더욱 널리 쓰일 것으로 보여 국내 뇌 연구 활성화에 기여 할 것으로 기대된다.
제안 방법
38)부검뇌의 조직절편을 분석하여 만든 세포구축학적 확률뇌 지도는 브로드만 영역에 대한 정확하고 객관적인 정보를 제공한다.1,3)이 연구에서는 국제적으로 유일하게 세포구축학적 확률뇌 지도를 개발하고 있는 독일 율리히 연구센터로부터 최근까지 개발된 13개 영역의 확률뇌지도를 제공받았으며, 한국인 뇌 표준판 에 맞춰 변환하고 정 량화 프로그램에 포함하였다.22-29) 현재 다른 브로드만 영역에 대한 세포구축학적 확률뇌지도도 개발 중이며 이 프로그램에 계속하여 포함할 것이다.
약 370 MBq (10 mCi)의 F-18-FDG를 정맥주사한 후 30분 뒤 불빛을 낮추고 조용한 방에서 촬영하였다. 5분간 Ge-68 막대 선원을 이용하여 감쇠보정을 위한 투과스캔을 얻고 연이어 25분간 2D 모드로 방출스캔을 얻었다. 투과스캔과 방출스캔은 Shepp-Logan 필터를 사용하여 차단 주파수 0.
Table 3. Brain regions for cytoarchitectonic probabilistic maps used in this study.
3. Flowchart for the strategy used in this study to select optimal target brains. Two different methods were independently used to determine 10 male and 10 female candidates, and who commonly selected by both methods were considered as a final candidates.
9세, 범위 19-75세). SPM99 프로그램을 이용하여 각 PET 영상을 남성 청/ 중년 뇌 표준판에 공간정규화한 후 확률뇌지도 정규화 프로그램을 이용하여 각 뇌영역의 가중평균 계수를 구하였다. 문측-전대 상회(anterior cingulate, roastral part), 미측-전대상회(anterior cingulate, caudal part), 후즉대상회 (posterior cingulate)에 대하여 좌/우 반구의 값을 평균한 후 각 부분간의 계수비를 구하고 회귀분석법으로 연령 변화에 따른 이들 계수비의 변화를 조사하 였다.
4 세(18-77세)였다. 각 연령별, 성별 뇌 표준판를 만들기 위하여 먼저 기준이 되는 뇌(target brain)를 선정하였다16) 이를 위하여 개개인의 MR 영상에서 전교련(anterior commissure, AC)과 후교 련(posterior commissure, PC)을 잊는 AC-PC 선, AC-PC 선과 직각 방향으로 AC의 뒤쪽 경계 및 PC의 앞쪽 경계를 지나는 수직선들(VAC, VPC), 정중시상면(mid-sagittal plane) 등의 기저 선들과 뇌피질의 바깥 경계의 거리를 추출한 후 이들 거리가 연구 대상 전체의 평균과 가장 가까운 뇌를 찾아 기준 뇌로 선정하 였다(Fig. 3).
남 · 여 기준 뇌의 기저선(면)을 가상 좌표계의 x-y-z축과 일치시킨 후 등방성 (isotropic) 화소 크기 (2 mm)를 갖도록 재구성 하고 8 mm FWHM을 갖는 가우시안 커널(Gaussian kernel)로 중첩적분(convolution) 하였으며, 모든 MR 영상을 각각의 기준 뇌에 대하여 선형변형 방법으로 공간정규화하였고, PET도 촬영한 경우 이 때 얻은 변환변수를 동일하게 적용하여 공간정규화하 였다. 각각의 영상을 계수 정규화하였으며, 각 성별에 대하여 55세 이하의 영상(남/여 =35/13)을 평균하여 청/중년 뇌 표준판을, 55세 이상의 영상(남/여=14/16)을 평균하여 노인 뇌 표준판을 구성하였다(Fig. 4).
기저선과 뇌피질의 바깥 경계를 추출하고 거리를 계산하기 위하여 두 가지 다른 방법을 사용하였다. 첫 번째는 수동 방법으로 영상전문가가 영상정합 프로그램인 FIRE(Functional Image REgistration, Seoul National University, Seoul, Korea)를18) 이용 하여 MR 영상의 AC-PC 선을 가상의 y축과 VAC 선을 z축과 정중시상면을 y-z면과 각각 일치하도록 이동 및 회전시킨 후, VPC 선을 결정하고 상 · 하, 좌 · 우 전 · 후로 한 면씩 이동하면서 다음 면에서 뇌피질이 더 이상 보이지 않는 면을 뇌피질의 바 깥 쪽 경계면으로 결정하였다.
남 · 여 기준 뇌의 기저선(면)을 가상 좌표계의 x-y-z축과 일치시킨 후 등방성 (isotropic) 화소 크기 (2 mm)를 갖도록 재구성 하고 8 mm FWHM을 갖는 가우시안 커널(Gaussian kernel)로 중첩적분(convolution) 하였으며, 모든 MR 영상을 각각의 기준 뇌에 대하여 선형변형 방법으로 공간정규화하였고, PET도 촬영한 경우 이 때 얻은 변환변수를 동일하게 적용하여 공간정규화하 였다. 각각의 영상을 계수 정규화하였으며, 각 성별에 대하여 55세 이하의 영상(남/여 =35/13)을 평균하여 청/중년 뇌 표준판을, 55세 이상의 영상(남/여=14/16)을 평균하여 노인 뇌 표준판을 구성하였다(Fig.
뇌과학 연구에서 확률뇌지도를 이용한 정량화 프로그램의 유 용성을 보이기 위하여 정상 노화에 따른 대상회의 국소 포도당 대사 변화를 분석하였다. 노화에 따른 대상회의 포도당 대사 감 소는 기존의 연구들에서 일관되게 보고되고 있는 사실이다.
대상 및 방법 : T1 MRI와 FDG PET에 대한 뇌 표준판을 성별, 연령별로 개발하였으며, 한국인 정상 MR 영상으로 만들어진 89개 뇌 영역의 구조적 확률뇌지도와 독일 율리히 연구센터에서 도입한 13개 브로드만 영역에 대한 세포구축학적 확률뇌지도를 뇌 표준판 위로 각각 비선형 변환하였다. 확률뇌지도에 정의된 각 뇌 영상의 국소계수는 확률에 의한 가중평균 또는 가중합으로 구하였다.
이 연구에서 모집한 정상군의 검사는 서울대학교병원 정신과와 핵의학과에서 각각 이루어졌다. 대상군은 가정의학과의 건강 검진센터를 통하여 내원한 정상 성인, 일산노인복지회관에 방문 하여 신경심리 검사를 실시한 정상 노인, 정신과 광고를 통하여 모집한 정상 성인으로 신경심리 행동검사를 수행하고 MR, PET 영상을 얻었다. 서울대학병원 신경과에서 신경 심리 평가로 사용하고 있는 Seoul Neuropsychological Screening Battery 중 3MS (Modified Mini-Mental State) 검사와 K-MMSE (Mini-Mental State Examination), MES (Mood Evaluation Scale)로 구성하여 이용하였다.
이를 위하여 각 성별로 각 방법에서 구한 데이터의 평균값을 구하였으며, 평균값과 가장 편차가 적은 10명의 뇌 영상을 각 방법별로 선정하였다. 두 방법에 의하여 공통으로 선택된 영상 중 3명의 영상 전문가가 나이, 뇌의 좌우 대칭도 뇌실 크기 등을 고려하여 최종 기준 뇌를 정하였다.
또한 관심영역에서 얻어진 국소계수의 통계적 변이 (statistical fluctuation)를 줄이기 위하여 여러 장의 PET/SPECT 영상에 관심영역을 그리고 그 계수를 합하는 경우가 많으나 실제 해부학적 구조처럼 연속적인 경계를 갖 도록 관심영역을 그리는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 과거에 우리가 제안한 방법은 각 개개인의 뇌 영상을 뇌 표준판에 공간정규화(spatial normalization) 하고 각 해부학적 구조물에 대한 확률뇌지도를 확률적 관심영역 (probabilistic volume of interest)으로 이용하여 각 화소의 확률에 의하여 가중치가 주어진 국소 계수의 가중평균을 구하는 것이었다.11-15) 이 방법은 다수의 뇌 PET/SPECT 영상을 객관적이고 정량적으로 분석하는데 유용하게 쓰이고 있으나 MNI에서 도입한 표준판 과 확률뇌지도를 이용하기 때문에, 인종간 차이에 의한 분석 오차가 있을 수 있고 허용된 사용자만 제한적으로 쓸 수 있다는 문제가 있다.
SPM99 프로그램을 이용하여 각 PET 영상을 남성 청/ 중년 뇌 표준판에 공간정규화한 후 확률뇌지도 정규화 프로그램을 이용하여 각 뇌영역의 가중평균 계수를 구하였다. 문측-전대 상회(anterior cingulate, roastral part), 미측-전대상회(anterior cingulate, caudal part), 후즉대상회 (posterior cingulate)에 대하여 좌/우 반구의 값을 평균한 후 각 부분간의 계수비를 구하고 회귀분석법으로 연령 변화에 따른 이들 계수비의 변화를 조사하 였다.
4 mm 이다. 약 370 MBq (10 mCi)의 F-18-FDG를 정맥주사한 후 30분 뒤 불빛을 낮추고 조용한 방에서 촬영하였다. 5분간 Ge-68 막대 선원을 이용하여 감쇠보정을 위한 투과스캔을 얻고 연이어 25분간 2D 모드로 방출스캔을 얻었다.
17)이를 요약하면 다음과 같다. 위에서 기술한 방법과 동일하게 선정한 하나의 기준 뇌영상을 전문가가 89개의 해부학적 영역으로 수동 분할하였다(Fig. 5)20,21) 모든 뇌 영상을 기준 뇌에 맞추어 선형 공간정규화하여 모든 영상이 동일한 좌표계에 위치하도록 한 후 기준 뇌를 다시 각각의 영상 으로 비선형 공간정규화하여 얻은 변환변수를 분할된 영역들에 적용하여 각 영상이 자동으로 영역 분할되도록 하였다. 최종적으로 각 분할된 영역들이 겹치는 정도를 화소 값으로 표현하여 확률뇌지도를 작성하였다(Fig.
이 연구에서는 SPGRSpoiled Gradient Recalled Echo) T1 MR과 F-18-FDG PET 영상에 대한 한국인 뇌 표준판을 성별, 연령별로 개발하고, 기존에 완성된 한국인의 해부학적 확 률뇌지도와 독일 연구진이 제작한 부검뇌의 조직절편을 활용한 세포구축학적 (cytoaichitectonic) 확률뇌지도를 뇌 표준판에 맞춰 변환하고 이를 확률적 관심영역으로 활용한 국소계수 정량화 프로그램을 개발하였다, 또한 이 정량화 기법을 이용하여 노화에 따른 대상회 (cingulate gyrms) 의 국소 포도당 대사 감소 양상을 분석하였다.
그러나 공간정규화로 미처 보정할 수 없는 형태적 차이를 극복하기 위해서는 한국인 뇌 영상 연구의 표준이 될 수 있는 뇌 표준판이 필요하다. 이 연구에서는 한국인 뇌 영상자료를 기반으로 성별, 연령별 MR/PET 뇌 표준판을 개발하였으며, 확률뇌지도를 이용한 정량화 프로그램에 활용하였다.
정량화 프로그램은 20초 미만에 1개의 공간정규화된 영상을 처리하였다. Fig.
기저선과 뇌피질의 바깥 경계를 추출하고 거리를 계산하기 위하여 두 가지 다른 방법을 사용하였다. 첫 번째는 수동 방법으로 영상전문가가 영상정합 프로그램인 FIRE(Functional Image REgistration, Seoul National University, Seoul, Korea)를18) 이용 하여 MR 영상의 AC-PC 선을 가상의 y축과 VAC 선을 z축과 정중시상면을 y-z면과 각각 일치하도록 이동 및 회전시킨 후, VPC 선을 결정하고 상 · 하, 좌 · 우 전 · 후로 한 면씩 이동하면서 다음 면에서 뇌피질이 더 이상 보이지 않는 면을 뇌피질의 바 깥 쪽 경계면으로 결정하였다. 그리고 Table 1에 정의한 바와 같 이 기저선과 뇌피질 경계면 사이의 거리를 구하였다.
5)20,21) 모든 뇌 영상을 기준 뇌에 맞추어 선형 공간정규화하여 모든 영상이 동일한 좌표계에 위치하도록 한 후 기준 뇌를 다시 각각의 영상 으로 비선형 공간정규화하여 얻은 변환변수를 분할된 영역들에 적용하여 각 영상이 자동으로 영역 분할되도록 하였다. 최종적으로 각 분할된 영역들이 겹치는 정도를 화소 값으로 표현하여 확률뇌지도를 작성하였다(Fig. 6).
5분간 Ge-68 막대 선원을 이용하여 감쇠보정을 위한 투과스캔을 얻고 연이어 25분간 2D 모드로 방출스캔을 얻었다. 투과스캔과 방출스캔은 Shepp-Logan 필터를 사용하여 차단 주파수 0.35로 하여 여과후역투사 방법으로 재구성하였으며 매트릭스 크기는 128×128이었다.
한국인의 정상 MR 영상을 기반으로 한 구조적, 기능적 뇌 표준판과 해부학적 확률뇌지도를 완성하였으며, 부검뇌의 조직절편을 활용한 세포구축학적 확률뇌지도를 도입하였다.16,17,22-27) 이 논문에서는 뇌 표준판의 개발과정을 상세히 설명하고, 뇌 표준판 과 확률뇌지도를 활용하여 뇌 영상의 국소계수를 객관적으로 측정할 수 있는 정량화 프로그램을 개발하였음을 보고하고, 이를 이용하여 정상 한국인의 뇌 영상자료를 분석하였다.
확률뇌지도에 정의된 각 뇌 영상의 국소계수는 확률에 의한 가중평균 또는 가중합으로 구하였다. 확률뇌지도를 이용한 예비 연구로 정상 노화에 따른 포도당대사의 변화가 대상회 내에서 전 · 후 위치에 따라 다르게 나타나는 가를 조사하였다
확률뇌지도를 확률적 관심영역으로 활용하여 각 뇌영역의 국소 계수를 자동으로 추출할 수 있는 정량화 프로그램을 SPM 소프트웨어 등과의 연계성을 고려하여 Matlab 5.3(Mathworks Inc., USA)을 이용하여 개발하였다. 이를 위해 해부학적, 세포구 축학적 확률뇌지도를 각각의 뇌 표준판에 맞춰 비선형 변환하였 다 사용자는 1) 남성 청/중년, 2) 남성 노인, 3) 여성 청/중년, 4) 여성 노인 MRI/PET 뇌 표준판 중 하나를 선택하여 원하는 뇌 영상을 이에 맞추어 공간정규화한 후 이 프로그램에 입력하면 사용자의 선택에 따라 1) 각 화소의 확률에 의하여 가중치가 주 어진 국소 계수의 가중합(probability-weighted total count), 2) 가중평균probability-weighted mean cnunt), 3) 확률이 50% 이상인 영역에 포함된 화소의 개수 중 하나가 계산되도록 하였다.
대상 및 방법 : T1 MRI와 FDG PET에 대한 뇌 표준판을 성별, 연령별로 개발하였으며, 한국인 정상 MR 영상으로 만들어진 89개 뇌 영역의 구조적 확률뇌지도와 독일 율리히 연구센터에서 도입한 13개 브로드만 영역에 대한 세포구축학적 확률뇌지도를 뇌 표준판 위로 각각 비선형 변환하였다. 확률뇌지도에 정의된 각 뇌 영상의 국소계수는 확률에 의한 가중평균 또는 가중합으로 구하였다. 확률뇌지도를 이용한 예비 연구로 정상 노화에 따른 포도당대사의 변화가 대상회 내에서 전 · 후 위치에 따라 다르게 나타나는 가를 조사하였다
대상 데이터
3D T1 SPGR MR 영상은 1.5 T Signa (GE Medical Systems,Milwaukee, USA)를 이용하여 촬영하였으며 (echo time=5.5 ms, repetition time=14.4 ms, number of excitations=1, rotation angle=20 degrees, field of view=24×24cm) 256×256 매트릭스 크기를 갖는 120 여장의 시상면 (0.82×0.82×1.5 mm)을 간격 없이 얻었다.
PET 영상은 ECAT EXACT 47 PET 스캐너(Siemens-CTI, KnoxviUe, USA)를 이용하여 얻었다. 스캐너의 해상도는 횡단면 방향으로 FWHM이 중심부는 6.
Flowchart for the strategy used in this study to select optimal target brains. Two different methods were independently used to determine 10 male and 10 female candidates, and who commonly selected by both methods were considered as a final candidates. Final target brain for each gender was selected with the consensus of 3 image specialists by considering the age of subject, asymmetry of brain, and size of ventricle.
59 mrrgD이었다. 기준 뇌 MR영상을 정하기 위하여 남 · 여별로 수동방법과 반 자동방법으로 선정한 각 10명의 대상자중 공통적으로 선정된 대 상은 남 · 여 각 6명이었으며, 이 중 34세 남성과 41세 여성의 MR 영상을 기준 뇌영상으로 결정하였다.
뇌 표준판을 구성한 시점까지 얻어진 78명(남/여=49/29)의 오른손잡이 성인의 뇌 영상을 이용하여 각 연령별(55세 전 · 후), 성별 뇌 표준판을 구성하였다. 연구 대상의 평균나이는 44.
성별을 독립변수로, 연령을 공변인으로 측정된 각각의 거리를 종속변수로 하여 공분산분석을 시행한 결과, 모든 거리가 남 · 여 간의 차이는 있었으나 연령에 따른 변화는 없어서(결과 참조) 기저선과 뇌피질 경계의 거리로 판단한 뇌의 전반적인 모양은 성별에 의해서만 다르다고 결정하였다. 따라서 남 · 여 각각에서 연령에 관계없이 각각 1개의 기준 뇌(target brain) 영상을 선정하였다. 이를 위하여 각 성별로 각 방법에서 구한 데이터의 평균값을 구하였으며, 평균값과 가장 편차가 적은 10명의 뇌 영상을 각 방법별로 선정하였다.
이 연구에서 모집한 정상군의 검사는 서울대학교병원 정신과와 핵의학과에서 각각 이루어졌다. 대상군은 가정의학과의 건강 검진센터를 통하여 내원한 정상 성인, 일산노인복지회관에 방문 하여 신경심리 검사를 실시한 정상 노인, 정신과 광고를 통하여 모집한 정상 성인으로 신경심리 행동검사를 수행하고 MR, PET 영상을 얻었다.
이 연구와는 별도로 얻어진 정상 성인 49명의 PET 영상을 후 향적으로 조사하였다(남/여 =30/19, 평균 나이 49.4±18.9세, 범위 19-75세). SPM99 프로그램을 이용하여 각 PET 영상을 남성 청/ 중년 뇌 표준판에 공간정규화한 후 확률뇌지도 정규화 프로그램을 이용하여 각 뇌영역의 가중평균 계수를 구하였다.
따라서 남 · 여 각각에서 연령에 관계없이 각각 1개의 기준 뇌(target brain) 영상을 선정하였다. 이를 위하여 각 성별로 각 방법에서 구한 데이터의 평균값을 구하였으며, 평균값과 가장 편차가 적은 10명의 뇌 영상을 각 방법별로 선정하였다. 두 방법에 의하여 공통으로 선택된 영상 중 3명의 영상 전문가가 나이, 뇌의 좌우 대칭도 뇌실 크기 등을 고려하여 최종 기준 뇌를 정하였다.
데이터처리
13) 측두엽 간질 환자의 F-18-FDG PET 영상을 MNI 확률뇌지도를 이용하여 정량화 한 이 논문에서는 측두엽 관심영역에 대한 가중평균으로 포도당대사 감소의 심한 정도(severity) 를 평가하였으며, SPM 방법 으로 정상대 조군과 비교하여 포도당대 사가 통계적으로 유의하게 감소된 화소들이 각 관심영역의 확률뇌지도(확률 50%이상인 영역)에 포함된 개수를 측정하여 대사 감소를 보이는 영역의 크기(extent)로 보았다. 이러한 정량화 방법은 비정상인 양상을 보이는 뇌 영역의 범위를 평가해야 하는 유사한 연구에 활용될 수 있을 것이다.
이를 위해 해부학적, 세포구 축학적 확률뇌지도를 각각의 뇌 표준판에 맞춰 비선형 변환하였 다 사용자는 1) 남성 청/중년, 2) 남성 노인, 3) 여성 청/중년, 4) 여성 노인 MRI/PET 뇌 표준판 중 하나를 선택하여 원하는 뇌 영상을 이에 맞추어 공간정규화한 후 이 프로그램에 입력하면 사용자의 선택에 따라 1) 각 화소의 확률에 의하여 가중치가 주 어진 국소 계수의 가중합(probability-weighted total count), 2) 가중평균probability-weighted mean cnunt), 3) 확률이 50% 이상인 영역에 포함된 화소의 개수 중 하나가 계산되도록 하였다. 각 영상, 각 영역에 따라 계산되어진 값은csv 파일(값들을 콤마로 구분한 텍스트 파일)형태로 저장되어 자료 정리 및 통계처리를 위한 엑셀 프로그램 등에서 쉽게 읽어들일 수 있도록 하였다(Fig. 8).
이론/모형
28,29) 단계적 탄성 체 변환방법은 각 개인간의 뇌의 형태의 차이를 보정해 주기 위 하여 뇌를 탄성체로 가정하고 Navier-Lame이론을 적용하여 각 개인의 뇌와 기준 뇌 사이의 거리를 최소화시키는 조건을 사용하는 것이며 이를 통해 각 화소에 대한 변형장을 구할 수 있다. 계산 속도의 향상을 위하여 다중 격자 기법이 사용되었다.
두 번째로, 영상분할 기법을 이용한 반자동화 방법을 사용하였다. 즉, 첫 번째 방법에서와 같이 수동으로 MR 영상을 기저선 (면)에 일치시키고 region growing algorithm과 morphological operation을 이용하여 Yoon 등이 개발한 자동화된 방법으로 뇌피 질의 경계를 추출하여 기저선과 뇌피질 바깥 경계의 거리를 측정 하였다.
대상군은 가정의학과의 건강 검진센터를 통하여 내원한 정상 성인, 일산노인복지회관에 방문 하여 신경심리 검사를 실시한 정상 노인, 정신과 광고를 통하여 모집한 정상 성인으로 신경심리 행동검사를 수행하고 MR, PET 영상을 얻었다. 서울대학병원 신경과에서 신경 심리 평가로 사용하고 있는 Seoul Neuropsychological Screening Battery 중 3MS (Modified Mini-Mental State) 검사와 K-MMSE (Mini-Mental State Examination), MES (Mood Evaluation Scale)로 구성하여 이용하였다. 3MS 및 K-MMSE는 시간, 공간에 대한 지남력과 기억등록, 주의집중 및 계산, 기억회상, 언어, 시공간 구성에 대한 정신기능을 간단하게 측정할 수 있는 검사로 K-MMSE는 30점 만점으로 일반적으로 24점을 기준으로 하나 본 연구에서는 27점 이상만 연구 참여 가능으로 판단하였다.
두 번째로, 영상분할 기법을 이용한 반자동화 방법을 사용하였다. 즉, 첫 번째 방법에서와 같이 수동으로 MR 영상을 기저선 (면)에 일치시키고 region growing algorithm과 morphological operation을 이용하여 Yoon 등이 개발한 자동화된 방법으로 뇌피 질의 경계를 추출하여 기저선과 뇌피질 바깥 경계의 거리를 측정 하였다.19)
성능/효과
5,6) 뇌 기능매핑 연구에 널리 쓰이고 있는 SPM(statistical parametric mapping) 프로그램에서 통계적으로 유의하게 활성화된 영역에 대한 정보는 가장 많이 활성화된 화소의 좌표와 그 화소에 대한 통계적 유 의성으로 주어진다, SPM 프로그램은 몬트리올 신경과학연구소(Montreal Neurological Institute; MNI)에서 개발하고 국제뇌 매핑협회(International Consortium for Brain Mapping; ICBM) 에서 표준으로 채택한 ICBM 표준판을 기본으로 사용하기 때문에 모든 결과 좌표는 MNI 좌표계로 주어진다.1,2) MNI 좌표계로 주어진 화소가 뇌의 어떤 특정영역에 포함되는지를 알기 위하여 주로 이 좌표를 해부학적 정보가 어느 정도 알려진 Talairach 좌 표로 변환해서 분석하지만 변환과정에서 생기는 오차 등을 고려 할 때 최선의 방법은 아니다.8-10) 반면, 동일한 MNI 좌표계를 따르는 뇌의 통계적 확률뇌지도(statistical probabilistic anatomical map; SPAM)를 참조하면 보다 정확하고 객관적인 해부학적 정보를 얻을 수 있다.
, USA)을 이용하여 개발하였다. 이를 위해 해부학적, 세포구 축학적 확률뇌지도를 각각의 뇌 표준판에 맞춰 비선형 변환하였 다 사용자는 1) 남성 청/중년, 2) 남성 노인, 3) 여성 청/중년, 4) 여성 노인 MRI/PET 뇌 표준판 중 하나를 선택하여 원하는 뇌 영상을 이에 맞추어 공간정규화한 후 이 프로그램에 입력하면 사용자의 선택에 따라 1) 각 화소의 확률에 의하여 가중치가 주 어진 국소 계수의 가중합(probability-weighted total count), 2) 가중평균probability-weighted mean cnunt), 3) 확률이 50% 이상인 영역에 포함된 화소의 개수 중 하나가 계산되도록 하였다. 각 영상, 각 영역에 따라 계산되어진 값은csv 파일(값들을 콤마로 구분한 텍스트 파일)형태로 저장되어 자료 정리 및 통계처리를 위한 엑셀 프로그램 등에서 쉽게 읽어들일 수 있도록 하였다(Fig.
8,38) Lancaster 등이 Talairach 뇌지도를 디지털화하고 화소 단위로 브로드만 영역에 대한 정보를 제공하였지만, 영역간의 경계는 여전히 인위적으로 정하였 다.38)부검뇌의 조직절편을 분석하여 만든 세포구축학적 확률뇌 지도는 브로드만 영역에 대한 정확하고 객관적인 정보를 제공한다.1,3)이 연구에서는 국제적으로 유일하게 세포구축학적 확률뇌 지도를 개발하고 있는 독일 율리히 연구센터로부터 최근까지 개발된 13개 영역의 확률뇌지도를 제공받았으며, 한국인 뇌 표준판 에 맞춰 변환하고 정 량화 프로그램에 포함하였다.
서울대학병원 신경과에서 신경 심리 평가로 사용하고 있는 Seoul Neuropsychological Screening Battery 중 3MS (Modified Mini-Mental State) 검사와 K-MMSE (Mini-Mental State Examination), MES (Mood Evaluation Scale)로 구성하여 이용하였다. 3MS 및 K-MMSE는 시간, 공간에 대한 지남력과 기억등록, 주의집중 및 계산, 기억회상, 언어, 시공간 구성에 대한 정신기능을 간단하게 측정할 수 있는 검사로 K-MMSE는 30점 만점으로 일반적으로 24점을 기준으로 하나 본 연구에서는 27점 이상만 연구 참여 가능으로 판단하였다. MES는 총 30문항으로 높은 점수가 우울정도가 높음을 의미하며, 본 연구에서는 18점 이상을 얻은 지원자는 제외하였다.
1-4) 특히, 이러한 확률뇌지도는 PET, fMRI등의 기능영상 연구 결과에서 활성화된 영역이 어떠한 해부학적 영역에 속하는지에 대한 확률적인 정보를 제공한다.5,6) 뇌 기능매핑 연구에 널리 쓰이고 있는 SPM(statistical parametric mapping) 프로그램에서 통계적으로 유의하게 활성화된 영역에 대한 정보는 가장 많이 활성화된 화소의 좌표와 그 화소에 대한 통계적 유 의성으로 주어진다, SPM 프로그램은 몬트리올 신경과학연구소(Montreal Neurological Institute; MNI)에서 개발하고 국제뇌 매핑협회(International Consortium for Brain Mapping; ICBM) 에서 표준으로 채택한 ICBM 표준판을 기본으로 사용하기 때문에 모든 결과 좌표는 MNI 좌표계로 주어진다.1,2) MNI 좌표계로 주어진 화소가 뇌의 어떤 특정영역에 포함되는지를 알기 위하여 주로 이 좌표를 해부학적 정보가 어느 정도 알려진 Talairach 좌 표로 변환해서 분석하지만 변환과정에서 생기는 오차 등을 고려 할 때 최선의 방법은 아니다.
모든 거리가 여자에 비하여 남자가 길었다. 공분산분석결과 모든 거리에 대하여 연령 및 연령-성별 상호작용의 영향은 유의 하지 않았으나, 성별차이에 의한 영향은 통계적으로 유의하였다 (H0.05, 다중비교보정 후). 남 · 여 각각의 대하여 각 거리의 평 균값과 개개인에서 측정한 값의 편차에 대한 제곱평균(root mean square)은 각각 7.
성별을 독립변수로, 연령을 공변인으로 측정된 각각의 거리를 종속변수로 하여 공분산분석을 시행한 결과, 모든 거리가 남 · 여 간의 차이는 있었으나 연령에 따른 변화는 없어서(결과 참조) 기저선과 뇌피질 경계의 거리로 판단한 뇌의 전반적인 모양은 성별에 의해서만 다르다고 결정하였다. 따라서 남 · 여 각각에서 연령에 관계없이 각각 1개의 기준 뇌(target brain) 영상을 선정하였다.
각 성별. 연령에 따른 SPGR T1 MR 뇌 표준판(Fig. 4 A-D)을 비교하여 보니, 남성 뇌 표준판이 전반적으로 크기가 컸으며, 청/장년 표준판에 비하여 노인 표준판이 뇌실의 크기가 크고 미상핵(caudate nucleus)의 크기가 적고, 외측열(lateral or Sylvian fissure) 및 섬이랑(insular gyrus) 주변의 회백질 감소가 관찰되는 등 노인 표준판이 노화에 따른 뇌의 구조적 변화를 잘 반영하 였다. F-18-FDG PET 표준판(Fig.
후속연구
22-29) 현재 다른 브로드만 영역에 대한 세포구축학적 확률뇌지도도 개발 중이며 이 프로그램에 계속하여 포함할 것이다. 뇌의 기능적 구조를 밝히기 위한 뇌 매핑 연구에서 PET/fMRI를 이용한 뇌활성화 검사 결과를 세포구축학적 위치 정보 및 영역간의 해부학적/기능적 연결성에 기반하여 분석하고 평가하는 것이 나아갈 방향임을 고 려할 때 우리가 개발한 프로그램이 유용하게 쓰일 수 있을 것이라 기대된다.14,39,40)
이 연구에서는 한국인 뇌 표준판 및 해부학적 확률뇌지도 세포구축학적 확률뇌지도를 활용하여 뇌 영상의 국소계수를 객관적으로 측정하기 위한 정량화 기법을 개발하였으며, 이를 이용하여 정상 한국인의 뇌 영상자료를 분석하였다. 서양인 뇌에 기반한 뇌 표준판 및 확률뇌지도는 그동안 제한적으로만 사용되어 왔으나 이 연구에서 개발한 정량화 기법은 일반에 공개하기로 하였 으므로 더욱 널리 쓰일 것으로 보여 국내 뇌 연구 활성화에 기여 할 것으로 기대된다.
이 연구에서는 SPGR T1 MRI와 F-18-FDG PET에 대한 뇌 표준판을 개발, 제시하였으나, Tc-99m-HMPAO, Tc-99m-ECD, 1-123 β-CIT, 1-123 IPT, F-18-flumazenil, C-ll-raclopride 등 다 른 추적자들에 대한 SPECT/PET 표준판이 핵의학분야에서 필 요하다. 이를 해결하기 위한 몇 가지 방법이 있다.
13) 측두엽 간질 환자의 F-18-FDG PET 영상을 MNI 확률뇌지도를 이용하여 정량화 한 이 논문에서는 측두엽 관심영역에 대한 가중평균으로 포도당대사 감소의 심한 정도(severity) 를 평가하였으며, SPM 방법 으로 정상대 조군과 비교하여 포도당대 사가 통계적으로 유의하게 감소된 화소들이 각 관심영역의 확률뇌지도(확률 50%이상인 영역)에 포함된 개수를 측정하여 대사 감소를 보이는 영역의 크기(extent)로 보았다. 이러한 정량화 방법은 비정상인 양상을 보이는 뇌 영역의 범위를 평가해야 하는 유사한 연구에 활용될 수 있을 것이다.
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