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• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 비침습적이고 label-free, artifact-free인 광학적 방법의 장점을 그대로 계승하면서 시간 지연 없는 뇌기능 이미징 기술이 있다면, 뇌 연구의 획기적인 발전은 물론 brain-computer interface (BCI)와 같은 여러 가지 혁신적인 응용 기술들이 실현될 수 있을 것이다. 본 연구는 이러한 원천기술을 개발하기 위한 기초연구로서, 신경활동이 일어날 때 뇌조직 (brain tissue)의 광학적 성질이 어떻게 변하는지 관찰하였다. 특히 뇌조직에서는 신경활동과 동시에 나타나는 빠른 (<100 ms latency) 광학적 신호는 아직 보고된 바가 없다.
• 이는 광학적 신호가 local field potential을 직접 측정한 것이 아니라 다른 신경생리학적 현상에 기인함을 시사한다. 이를 밝히기 위해 본 연구는 신경 활동시 수반되는 세포의 부피 변화를 가설로 제시하였다. 세포 부피 변화의 파형이 측정된 광학적 신호와 유사함을 밝히기 위해, 세포의 부피 변화를 계산할 수 있는 새로운 뉴런 모델을 수립하였다.

제안 방법

• 기존의 Hodgkin-Huxley model에서는 세포 부피가 상수이기 때문에, Nernst-Plank equation, continuity equation, Fick's 1st law 등을 이용하여 세포 부피를 변수로 포함하는 새로운 연립미분방정식을 만들었다.
• 그 결과, 그림 2와 같이 뇌조직에서 전기자극으로 신경 활동을 유발하면 전기적인 신경신호와 함께 NIRTS가 변화됨을 측정하었다. 뇌조직 없이 전기자극만 가한 control 실험을 통해, 측정된 광학신호가 신경활동에 기인함을 확인하였다. 결과는 100번 신경활동을 유발하고 그 반응을 측정 및 평균한 것으로, 통계적으로 유의미하였다.
• 이를 수치적으로 푼 결과, 광학적 신호와 유사한 파형으로 세포 부피가 변함을 확인하였다. 또한 조직 내 세포의 부피가 변할 때 조직의 광학적 성질이 어떻게 변하는지 계산하기 위해, uniaxial perfectly matched layer (UPML) 등 최신 방법론을 적용한 finite-different time-domain (FDTD) 프로그램을 개발하였다. 계산 결과, 측정된 광학적 신호와 유사한 order of magnitude의 광학적 성질 변화가 나타남을 확인하였다.
• 먼저 신경활동이 일어날 때 뇌조직의 근적외선 투과 스펙트럼 (near-infrared transmission spectrum: NIRTS)이 어떻게 변하는지 관찰하였다. 그런데, 뇌조직의 신경 활동은 수 ms의 작은 시간 상수 (time constant)를 갖기 때문에, 이렇게 빠른 변화를 NIRTS를 통해 관찰하기 위해서는 초당 1000 스펙트럼 (1000 line/sec) 이상을 기록할 수 있어야 한다.
• 그런데, 뇌조직의 신경 활동은 수 ms의 작은 시간 상수 (time constant)를 갖기 때문에, 이렇게 빠른 변화를 NIRTS를 통해 관찰하기 위해서는 초당 1000 스펙트럼 (1000 line/sec) 이상을 기록할 수 있어야 한다. 본 연구가 대상으로 하는 900 - 1300 nm 파장 영역에서는 기존의 상용 분광기가 이러한 속도를 만족시키지 못하기 때문에, 그림 1과 같은 고속 근적외선 분광기를 제작하였다. 그 결과 최대 1700 line/sec 속도로 뇌조직의 NIRTS를 기록할 수 있었다.
• 이를 밝히기 위해 본 연구는 신경 활동시 수반되는 세포의 부피 변화를 가설로 제시하였다. 세포 부피 변화의 파형이 측정된 광학적 신호와 유사함을 밝히기 위해, 세포의 부피 변화를 계산할 수 있는 새로운 뉴런 모델을 수립하였다. 기존의 Hodgkin-Huxley model에서는 세포 부피가 상수이기 때문에, Nernst-Plank equation, continuity equation, Fick's 1st law 등을 이용하여 세포 부피를 변수로 포함하는 새로운 연립미분방정식을 만들었다.
• 이를 이용하여, 쥐의 뇌절편 (brain slice)에서 전기적으로 신경활동을 유발 및 기록하면서 동시에 NIRTS를 측정하여 전기적 신호와 광학적 신호를 비교 관찰하였다. 그 결과, 그림 2와 같이 뇌조직에서 전기자극으로 신경 활동을 유발하면 전기적인 신경신호와 함께 NIRTS가 변화됨을 측정하었다.

성능/효과

• 뇌조직 없이 전기자극만 가한 control 실험을 통해, 측정된 광학신호가 신경활동에 기인함을 확인하였다. 결과는 100번 신경활동을 유발하고 그 반응을 측정 및 평균한 것으로, 통계적으로 유의미하였다. 또한 다른 개체의 뇌조직에서도 유사한 결과가 재현성 있게 관찰되었다.
• 또한 조직 내 세포의 부피가 변할 때 조직의 광학적 성질이 어떻게 변하는지 계산하기 위해, uniaxial perfectly matched layer (UPML) 등 최신 방법론을 적용한 finite-different time-domain (FDTD) 프로그램을 개발하였다. 계산 결과, 측정된 광학적 신호와 유사한 order of magnitude의 광학적 성질 변화가 나타남을 확인하였다.
• 본 연구가 대상으로 하는 900 - 1300 nm 파장 영역에서는 기존의 상용 분광기가 이러한 속도를 만족시키지 못하기 때문에, 그림 1과 같은 고속 근적외선 분광기를 제작하였다. 그 결과 최대 1700 line/sec 속도로 뇌조직의 NIRTS를 기록할 수 있었다.
• 이를 이용하여, 쥐의 뇌절편 (brain slice)에서 전기적으로 신경활동을 유발 및 기록하면서 동시에 NIRTS를 측정하여 전기적 신호와 광학적 신호를 비교 관찰하였다. 그 결과, 그림 2와 같이 뇌조직에서 전기자극으로 신경 활동을 유발하면 전기적인 신경신호와 함께 NIRTS가 변화됨을 측정하었다. 뇌조직 없이 전기자극만 가한 control 실험을 통해, 측정된 광학신호가 신경활동에 기인함을 확인하였다.
• 기존의 Hodgkin-Huxley model에서는 세포 부피가 상수이기 때문에, Nernst-Plank equation, continuity equation, Fick's 1st law 등을 이용하여 세포 부피를 변수로 포함하는 새로운 연립미분방정식을 만들었다. 이를 수치적으로 푼 결과, 광학적 신호와 유사한 파형으로 세포 부피가 변함을 확인하였다. 또한 조직 내 세포의 부피가 변할 때 조직의 광학적 성질이 어떻게 변하는지 계산하기 위해, uniaxial perfectly matched layer (UPML) 등 최신 방법론을 적용한 finite-different time-domain (FDTD) 프로그램을 개발하였다.
• 측정된 광학적 신호는 전기적 신호와 상이한 파형 (waveform)을 보였다. 이는 광학적 신호가 local field potential을 직접 측정한 것이 아니라 다른 신경생리학적 현상에 기인함을 시사한다.

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