[보고서]복합 뇌영상을 이용한 운동장애질환의 뇌신경 연결성 연구

보고서 정보

주관연구기관

연세대학교 산학협력단
Yonsei University

보고서유형

2단계보고서

발행국가

대한민국

언어

한국어

발행년월

2013-07

과제시작연도

2012

주관부처

미래창조과학부
Ministry of Science, ICT and Future Planning

등록번호

TRKO201300035104

과제고유번호

1345175804

사업명

뇌과학원천기술개발

DB 구축일자

2013-12-21

키워드

뇌신경 연결성.자기공명영상.확산텐서영상.양전자단층촬영영상.복합영상.운동장애.파킨슨병.수전증.뇌성마비.Connectivity.Functional MRI.Diffusion tensor imaging.positron emission tomography.Multi-modal imaging.Dystonia.Parkinson’s Disease.Tremor.Cerebral parlsy.

DOI

https://doi.org/10.23000/TRKO201300035104

표 그림 1. MIT의 10가지 떠오르는 기술 2008 에서 연결성 분석을 운동 장애 질환 연구의 중요한 도구로 평가 및 인간 뇌 커넥톰 프로젝트의 착수
표 그림 2. 뇌의 구조적 신경 연결 분포 및 기능적 신경 연결성 연구를 통해 밝힌 정상인 뇌의 네트워크 패턴의 이해
표 그림 3 위: (좌) 심부뇌자극술에 사용되는 전극 및 전지, (중) 심부뇌자극수술 후의 환자 개념도, (우) 심부뇌자극수술을 위한 틀 고정, 아래 수전증 환자에 시상파괴술을 적용하기 위한 MRgFUS 기법
표 그림 4. 대뇌기저핵 영역
표 그림 5. 왼쪽 줄에 있는 그림은 resting motor threshold (RMT)의 110%로 rTMS를 가했을 때 형성되는 뇌 신경망이고, 오른쪽 줄에 있는 그림은 active motor threshold (AMT)의 90%로 rTMS를 가했을 때 형성되는 뇌신경망 (Bestmann et al., 2004). 그림의 왼쪽은 뇌의 오른쪽이고, 그림의 오른쪽은 뇌의 왼쪽임.
표 그림 6. 2005 Neuroreport표지
표 그림 7. (좌) 확산텐서 영상을 이용한 대뇌신경섬유. Park et al. 2003. 표지, (좌) 뇌량의 확률지도, Park et al. 2008 표지
표 그림 8. 뇌성마비에서의 GABA-A 수용체 변화 (LeeJD et al., Neuroimage, 2007)
표 그림 9. 고해상도 확산텐서영상의 분석 기법을 이용하여 획득한 신경 다발
표 그림 10. EPI 이미지의 왜곡현상.
표 그림 11. Anisotropic smoothing description
표 그림 12. 정상인과 비교하였을 때, 뇌성마비환자군내의 유의한 차이를 보이는 기능적 연결성 (p<0.05, uncorr). 파란색 화살표: orbito-frontal 영역, 빨간색 화살표: cerebellum 영역
표 그림 13. 정상인과 비교하였을 때, 뇌성마비환자군내의 유의한 차이를 보이는 기능적 연결성 (p<0.01, uncorr). 파란색 화살표: orbito-frontal 영역, 빨간색 화살표: cerebellum 영역
표 그림 14. 손과 발을 이용한 대뇌 기능 활성을 위한 간단한 과제 패러다임
표 그림 15. 대뇌 특정영에서의 시간 영역 신호에 대한 상관관계 계수획득 방법
표 그림 16. 대뇌 영역의 기능적 연결성에 대한 상관관계 지도
표 그림 17. 대뇌 운동 영역에 대한 기능적 연결성 기반 클러스터링 결과
표 그림 18. (A) 자극전 쎄타파와 (B) 자극전 알파파의 파워값의 두피 분포도
표 그림 19. 심부뇌자극술시 사용하는 Navigation
표 그림 20. 심부뇌자극술 후 영상(네모 안은 전극이 삽입된 부분)
표 그림 21. PD H215O 뇌혈류 PET을 이용한 심부뇌자극술 뇌활성화실험(brain activation study)
표 그림 22. 8자 코일에 의해 형성된 자기장: 빨간색 영역은 코일의 중심에 자기장이 집중적으로 형성됨을 의미함
표 그림 23. TMS 코일에 의해 형성된 자기장 (Bx) 분포: 코일에서 떨어진 거리에 따른 자기장 분포 시뮬레이션 결과: (a) at z=1 mm; (b) at z=10 mm; (c) at z=20 mm
표 그림 23. TMS 코일이 만들어내는 자기장과 외부자기장(Bo)을 더한 자기장의 분포를 나타냄 (노란색으로 색칠된 부분): 외부자가장과 TMS 코일의 방향에 따른 분포: (a) 외부자기장의 방향과 TMS 코일이 수직으로 놓였을 때; (b) TMS코 일의 방향이 외부 자기장에 -30도 만큼 틀어졌을 때; ? TMS 코일의 방향이 외부 자가장에+30도 만큼 틀어졌을 때.
표 그림 24. rTMS에 의한 운동관련 네트워크의 변화 연구를 위한 실험 패러다임. 피험자는 자극을 맞기 전에 baseline 스캐닝을 시행하고, SHAM 및 rTMS 자극 이후에 fMRI 스캐닝을 시행함.
표 그림 25. Mean_ZR의 분포: 왼쪽부터 One-Sample T-test (Baseline, Sham, rTMS), Paired sample T-test (rTMS < Baseline, Sham < Baseline). 각각의 그림은 corrected FDR < 0.05에서 얻었음
표 그림 26. Total Count의 분포: 왼쪽부터 One-Sample T-test (Baseline, Sham, rTMS), Paired sample T-test (rTMS < Baseline, Sham < Baseline). 각각의 그림은 corrected FDR < 0.05에서 얻었음
표 그림 27. Hemi Count의 분포: 왼쪽부터 One-Sample T-test (Baseline, Sham, rTMS), Paired sample T-test (rTMS < Baseline, Sham < Baseline). 각각의 그림은 corrected FDR < 0.05에서 얻었음.
표 그림 28. Ipsi Count의 분포: 왼쪽부터 One-Sample T-test (Baseline, Sham, rTMS), Paired sample T-test (rTMS < Baseline, Sham < Baseline). 각각의 그림은 corrected FDR < 0.05에서 얻었음.
표 그림 29. 좌우 발 운동을 각각 수행한 뇌성마비 환자군과 정상군에 대해서 관심 운동영역을 설정 후 영역간 적절한 인과적 연결모델을 생성함
표 그림 30. Baysian 알고리즘을 이용한 모델선택 및 우측 발 운동에 대한 유효연결성 분석
표 그림 31. 우측 주 운동영역을 single pulse TMS로 자극하였을 때와 VHM 수행하였을 때 신경 활성화 패턴 맵
표 그림 32. 피험자가 5~12초 사이에 원하는 시기에 버튼을 누르는 과제를 수행하는 Voluntary Hand Movement(VHM) 에 의한 BOLD signal을 측정하는 패러다임.
표 그림 33 Activation map of VHM
표 그림 34 A & B matrices of Dynamic causal modeling selected by Bayesian Model Selection. Red arrow means negative neural coupling, which can be interpreted as a inhibitory correlation. Blue arrow is positive neural coupling which represent facilitatory influence. (a) Establishing model for intrinsic connectivity. Intrinsic connectivity of TMS>Base (p<0.05)
표 그림 35. B0S0 생성 도식화.
표 그림 36. B0S0 영상과 비선형 정합기법을 이용한 DWI와 T1 강조 영상 정합의 절차. S0: 확산강조영상들로부터 얻은 S0 영상, B0: B0 영상, bB0S0: 대뇌적출 처리 (BET)를 거친 B0S0 영상, T1: T1 강조 영상, bT1: 대뇌적출 처리를 거친 T1 영상, rbT1: B0 영상에 정합되어진 bT1 영상
표 그림 37. 전두엽에서의 두방법의 결과 차이. 십자선은 B0 영상과 비교하여 각 정합방법의 결과가 차이나는 부분을 표시함. Overlay 영상은 B0영상위에 각 정합방법의 결과들이 올려짐.
표 그림 38.전두엽에서의 두방법의 결과 차이.
표 그림 39. 두정엽에서의 두방법의 결과 차이
표 그림 40. 후두엽에서의 두방법의 결과 차이.
표 그림 41. ICA를 이용한 대뇌피질 구획화: (a) rs-fMRI 데이터에 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA)기법과 독립성분 분석(Independent Component Analysis, ICA)을 적용하는 과정, (b) 독립성분분석를 이용햔 대뇌 기저핵의 분할 기법에 관한 도식 : 각 voxel에서 최대 기여도를 갖는 IC를 mapping 함
표 그림 42. 1차 독립성분 분석 결과로부터 획득한 기저핵(Basal ganglia) 및 시상(Thalamus) map
표 그림 43. 대뇌 기저핵과 시상의 기능적 분할 결과
표 그림 44. FCDM의 분석절차
표 그림 45. Total, dist count에 의해 발견된 편마비 환자의 비정상적 대뇌 허브영역의 분포
표 그림 46. 영상 전처리 pipeline
표 그림 47. 대뇌 기저핵 구획의 예
표 그림 48. postcentral/precentral 영역을 시드로 한 기능적 연결성 분석 결과
표 그림 49. 편마비환자와 정상인 집단 간의 대뇌 네트워크 속성 비교
표 그림 50. 기능자기공명 영상을 기반으로 한 연결행렬 획득 과정 (왼쪽), 그래프 이론(Graph Theory)을 기반으로 하는 연결망 속성 계산 과정 (오른쪽)
표 그림 51. 확산텐서영상을 이용한 건강인 집단이 통계적 유의성이 높은 node degree의 영역 (a), 휴면 기능자기공명영상을 이용한 건강인 집단이 통계적 유의성이 높은 node degree의 영역 (b)
표 그림 52. 확산텐서영상을 바탕으로한 시각 연결망(좌)와 휴면기능자기공명영상을 바탕으로 한 시각 연결망(우). 증가되거나(남색 화살표) 감소된(빨간색 화살표) 연결성을 보여줌
표 그림 53 AAL 영상 데이터를 이용한 전체 대뇌 영역에서 파킨슨병 환자와 정상 건강인의 기능적 연결성 비교 결과 (NC > PD, p<0.05, uncorrected)
표 그림 54. 전체 대뇌 네트워크에서 각 노드별 연결성 계수 비교 결과.(NC >PD, p<0.05, uncorrected)
표 그림 55. 대뇌 각 노드에서 연결성 계수 및 효율성 비교(NC > PD, p<0.05, uncorrect)
표 그림 56. FPCIT-PET 과 rs-fMRI 등의 복합기능뇌영상을 이용한 putamen 기능적 분할 연구 결과
표 그림 57. 운동 네트워크 영역에 대해서 그래프 이론에 근거한 그래프 속성의 수술전후 차이
표 그림 58. 시상 파괴술을 실제 실시한 영역과 관련된 효과를 제거하고 수술 전후의 뇌연결성의 비교를 한 결과.
표 그림 59. 시상영역의 기능적 분할의 수술전후 비교
표 그림 60. (A) 뇌줄기 분할결과 (B) A에서 중뇌 영역 분할 결과. 전면(위), 시상면(중간), 후면 (아래) (C) B의 중뇌 분할영역과 상관성이 있는 각 대뇌 영역
표 그림 61. 관심 영역 간의 연결성에 대한 가설 모델
표 그림 62. Bayseian Model Selection을 이용한 Best Fit Model 선정
표 그림 63. 수술 전과 후의 관심 영역간의 연결 강도의 변화
표 그림 64. 과제 수행시 뇌의 활성화 패턴
표 그림 65. FPCIT결과 putamen영역에서 감소된 부분이 기능적연결성 결과에서 유사하게 발견되었음
표 그림 66. 파킨슨 치매(A)와 루이소체 치매(B) 환자와 정상 대조군 비교에서 Voxel based diffusion tensor imaging을 이용한 FA가 감소한 영역을 표시한 그림. (Uncorrecteid p <0.001)
표 그림 67. 파킨슨 치매환자에 비해 루이소체 치매환자에서 voxel based diffusion tensor imaging을 이용한 분석에서 상대적으로 FA값이 감소한 영역 (Uncorrected p<0.001). 루이소체 치매환자에서 FA값은 bilateral posterior temporal, posterior cingular, and bilateral visual association fibers extending into occipital areas영역에 이르기까지 의미 있는 감소를 보임
표 그림 68 18F-FP-CIT PET을 이용한 정상 건강인과 파킨슨병 환자의 대뇌 물질대사량 비교 결과(NC>PD, p<0.001, uncorrected)
표 그림 69 Anterior / Posterior Cingulate Cortex(ACC/PCC)를 시드로 한 대뇌 기능적 연결성 분석 결과
표 그림 70 운동중추와 관련된 영역, Precentral / Postcentral Gyrus와 Supplementary Motor Area(SMA)를 시드로 한 대뇌 기능적 연결성 분석 결과
표 그림 71. 파킨슨병 환자와 정상인에서의 대뇌 네트워크 속성 비교
표 그림 72. 좌측 편마비를 가진 20세의 여성 환자. (A, B) 자기 공명 가로 횡단 촬영 영상에서 국소 허혈 경색을 관찰 할 수 있다. (C) T1 강조 자기공명 관상 촬영 영상에서는 뇌실 주위 백질 국소 경색이 피질기관까지 확장되어 있는 것을 볼 수 있다. 이는 국소 정맥 경색의 증상과 상응함. (D) FFMZ 결합 잠재능 (binding-potential) 지도로, 환측 운동 영역에서 결합 전위의 증가를 보여준다. 화살표는 병변의 위치를 나타냄.
표 그림 73. (A) FFMZ PET 결합 잠재능 지도. 빨강색은 정상인보다 결합잠재능이 증가된 영역. 파락색은 정상인보다 결합잠재능이 감소된 영역. (B) 정상인보다 분할비등방도(FA) 값이 감소된 영역. (C) 왼쪽의 사각형 이미지에서 점선으로 표시된 부분을 Seed로 삼아서 기능적 연결성 분석을 한 결과, 빨강색은 연결성이 정상인보다 증가된 영역, 파란색은 연결성이 보다 감소된 영역. CC = 뇌들보, IH = 손상되지 않은 반구, LH = 병변이 있는 반구.
표 그림 74. 저산소 환경에서의 흰 쥐 운동 피질의 GABA-A 수용체 α1서브 유닛의 증가. (A) 면역조직화학법을 통해 수행한 결과 (B) 니슬염색을 통한 운동영역의 정의. (C)α2,α3에서는 크게 달라진 점이 없었다.
표 그림 75. 뇌영상 결과와 동물모델 결과. (A) FFMZ PET 결합잠재능 (BP)가 감소된 영역에서 기능적연결성과 분할비등방도(FA)가 모두 감소하였다. (B) 편마비 환자의 운동역역의 감소된 기능적 연결성과 그에 관련된 GABA-A 수용기 α1의 증가와 관련된 피질의 Ⅲ, Ⅳ, Ⅵ 층.
표 그림 11. (A) Rich-club level을 나타내는 그래프.
표 그림 운동 속도와 연결성 강도와의 상관 관계

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