인뇌의 ‘뇌’는 인류 최후의 미지영역으로 불린다. 높은 벽으로 인식된 뇌에 대한 연구는 최근 들어 활발하게 진행 중에 있다. 뢴트겐이 엑스선을 개발한 이래 컴퓨터단층촬영(CT)과 자기공명영상(MRI) 등의 개발로 뇌의 해부학적 모양 정보를 영상화하는 것이 가능해졌고 뇌자도(MEG)와 기능성자기공명영상(fMRI) 등의 개발로 뇌의 기능을 지도화 할 수 있게 된 것이다. 특히 확산텐서 영상(DTI)은 뇌의 해부학적 연결성을 보여주는 핵심적인 장치였다.
하지만 최근의 뇌 기능 연구는 ‘해부’를 넘어 기능의 유기적 연결성을 알기 위한 범위로 넘어가고 있다. 높은 차원에서 발생하는 인간의 인지기능을 이해하고 뇌의 신비를 풀기 위해 많은 뇌 과학자들은 뇌기능 연결성에 관한 연구를 활발히 진행하는 중이다. 하지만 진행되는 연구 속도에 비해 뇌기능 연결성을 직접 보여줄 수 있는 장비는 개발은 매우 더딘 상태다.
이런 가운데 국내 연구진이 뇌 기능 연결성을 볼 수 있는 신개념 장치를 개발해 주목을 받고 있다. 김기웅 한국표준과학연구원(KRISS) 생체신호센터 박사팀이 뇌기능 연결성을 직접 가시화할 수 있는 장치를 개발한 것이다. 해당 연구는 뇌 과학 분야의 저명한 학술지 ‘뉴로이미지(NeuroImage)’의 표지논문으로 게재됐다.

기존 fMRI 방식과 전혀 다른 뇌파자기공명 고안

“현대 뇌과학에 있어 가장 큰 화두는 뇌 기능의 연결성을 알아내는 것입니다. 기존에는 뇌의 한 기능이 어느 위치에 해당한다는, 다소 단순한 정보를 수집하는 것에 만족했어요. 하지만 지금은 뇌의 서로 다른 부분이 서로 통신하면서 고차인지기능을 어떻게 처리하는지 이해하려는 거죠.
하지만 불행히도 아직까지 뇌기능 연결성을 직접 볼 수 있는 장비는 없습니다. 가장 잘 알려진 뇌기능 연구장치로 fMRI가 있지만 이 장치는 너무 느려요. 또 연결된 뇌파끼리는 상관성을 갖기 때문에 뇌자도로 추정 위치를 알기는 힘든 상황입니다.”
김기웅 박사가 언급한 대로 현재 뇌 과학 분야에서 ‘뇌기능 연결성’ 에 대한 연구는 뜨거운 감자다. 그동안 활용된 MRI는 뇌 모양이나 질병 유무 등의 해부학적 정보는 보여줄 수 있었지만 뇌기능에 대한 정보는 확인시켜주지 못했다. 하지만 뇌에 대한 연구가 발전하면서 이제 학계는 해부학적 정보가 아닌 뇌기능의 유기적 연결성에 대한 연구에 집중하고 있는 상태다.
“fMRI는 MRI 측정 방법 중 한 형태입니다. 뇌의 어떤 부분이 활동하고 있는지 혈액의 산소소모 정도로부터 유추해 뇌의 기능을 영상화 해주죠. 하지만 이 방법은 여러 가지 한계가 작용해요. 때문에 저희팀은 일반 fMRI 방식과 전혀 다른 개념인 뇌파자기공명(BMR, Brainwave Magnetic Resonance)을 고안해 뇌기능 활동을 영상화하는 장치를 개발했습니다.
뇌파자기공명이란 뇌파가 발생시키는 진동자기장이 뇌 속의 양성자를 직접 공명시키는 현상을 말합니다. 이를 통해 뇌신경 전류원으로 구성된 뇌 팬텀을 증명한 거죠. 쉽게 말하자면 특정 주파수의 뇌파가 지나가는 곳을 그대로 영상화할 수 있는 장치라고 보면 됩니다.”
뇌파자기공명 방식은 뇌기능을 담당하는 특정 주파수영역의 뇌파가 진동하는 부분을 직접 영상화한다. 때문에 뇌의 각 부분이 뇌파에 의해 연결돼 통신하는 상태인 뇌기능연결성을 직접 파악할 수 있다. 반면 뇌의 혈액 산소소모를 통해 연결성을 알 수 있는 fMRI의 경우 수 초 이상의 시간차가 있어 빠르게 변화하는 뇌기능연결성을 파악하는데 한계가 있다.
“뇌파자기공명 방식은 낮은 자기장에서 뇌 기능 연결성에 대한 측정이 가능하다는 장점이 있습니다. 사용하는 자기장의 세기가 일반 fMRI에 비해 백만분의 일 수준이에요. fMRI 영상은 자기장 세기의 제곱에 비례해서 해상도가 높아지기 때문에 관련 업계에서는 보다 높은 자기장을 지닌 장비가 계속해서 개발되고 있는 상태죠.
하지만 그만큼 장비가격이 높아지고 강한 자기장과 전자기파에 노출로 인한 인체 유해성 논란이 존재해 문제가 되고 있습니다. 저희 연구팀은 역발상을 이용해 KRISS의 초고감도 측정 기술을 활용, 낮은 자기장에서의 양성자 자기공명 측정에 성공한 것입니다.”
김기웅 박사팀의 이번 연구에서 핵심적으로 사용된 기능을 꼽으라면 단연 뇌파자기공명을 이야기 할 수 있다. 이는 생체자기공명(biomagnetic resonance)을 활용해 만들어진 개념이었다.
“몇 년 전 생체자기공명이라는 신개념을 만들었습니다. 이는 생체가 활동해 주기적인 전기생리학적 신호가 발생하는 부분이 그 주변의 수분을 이루는 양성자를 직접 공명시키는 현상입니다. 공명된 양성자를 통상의 자기공명영상법(MRI)을 이용해 가시화한다면 생체가 활동하는 부분의 기능영상을 직접 얻는 것이 가능할 것이라는 아이디어를 갖게 됐어요.
생체자기공명 현상을 뇌신경의 활동을 보기 위해 활용한 것이 이번에 발표한 뇌파자기공명(BMR)입니다. 중풍을 일으키는 심방부정맥의 수술위치를 결정하기위해 심방세동 f파의 지배주파수(dominant frequency)에 주변의 양성자를 공명시켜 영상화하는 심질환 진단방법이 심장자기공명(HMR)이죠. 심장자기공명 방법에 관한 논문은 2012년에 먼저 ‘AIP advances’ 라는 국제저널에 출판된 바 있습니다.”
그동안 뇌기능 연결성을 확인하는 게 어려웠던 이유는 측정원리에서 비롯하는 한계를 넘을 수 없었기 때문이다. 김기웅 박사는 “기존 연구자들은 일단 널리 활용되고 있는 뇌파측정장치, 뇌자도장치, fMRI 등의 장비를 사용해 뇌기능의 연결을 보려고 시도했습니다. 하지만 각각의 장치는 한계점이 있어요.
저도 뇌자도를 활용해 오래전부터 신호원 공간에서의 뇌파 재구성을 통한 뇌기능연결성을 연구해왔고 많은 방법을 고안했지만 측정원리에서 비롯하는 한계는 여전히 넘을 수 없었습니다. 결국 기존의 방법을 조금씩 개선·발전시키는 방법으로는 힘들다는 결론을 얻었고 전혀 새로운 원천기술을 개발해야겠다는 생각으로 뇌파자기공명을 고안했어요.”

생각의 틀을 깨면, 답은 있다

김기웅 박사팀의 이번 연구의 의의는 뇌기능의 유기적 연결성을 보여줬다는 데 있다. 그렇다면 뇌기능은 과연 어떤 모습으로 서로 얽혀 있을까.
“컴퓨터에 비유를 해볼까요. 완성된 컴퓨터를 갖고 있을 때 역공학설계(reverse engineering)로 동작원리를 찾는 것이 뇌과학자들이 하는 일입니다. 컴퓨터 케이스를 열면 내부에 중앙처리장치(CPU)와 메모리(RAM) 등이 박혀있는 메인보드가 있죠. 메인보드의 형상이 결국 MRI나 CT로 보이 해부학적 영상이고, 메인보드에 프린트 된 구리연결선이 해부학적 연결성입니다.
예를 들어, CPU의 15번 핀과 RAM의 4번 핀이 연결돼 있다고 하면 해부학적 연결성이 있으므로 CPU와 RAM이 서로 연관돼 작동한다는 것은 유추할 수 있지만 구체적으로 어떤 정보가 기능적으로 연결되는지를 보려면 CPU 15번 핀에서 나오는 0과 1의 변화하는 신호파형과 RAM 4번 핀의 신호파형이 같은지를 봐야 합니다.
마찬가지로 같은 파형으로 움직이는 파형이 뇌의 서로 다른 곳에서 발생된다면 두 부분이 기능적으로 연결되어 동작하고 있다고 생각할 수 있겠죠.”
많은 아이디어와 호기심을 갖고 있는 김기웅 박사. 그가 이번 연구를 진행한 것 역시 끊임없는 궁금증과 도전정신이 있었기에 가능했다.
“마침 SQUID 자기센서 기반의 뇌자도·심자도 개발이 마무리 단계였어요. 다음 단계의 ‘연구 먹을거리’ 를 찾고 있던 중 극저자장 핵자기공명의 측정이 최고의 SQUID 기술을 가져야만 가능한 종결자 같은 분야라는 것을 알고 도전해보기로 했습니다.
극저자장 핵자기공명으로 할 수 있는 킬러 어플리케이션(Killer application)이 무엇이 있을까 생각하다가 진동하는 생체활동을 생체 내의 양성자에 직접 공명시켜 관찰할 수 있을 지도 모르겠다는 생각이 들었습니다. 그런 새로운 아이디어를 생체자기공명이라고 명명했고, 이 원리를 이용하면 난제로 남아있는 뇌기능 연결성을 직접 볼 수 있겠다고 생각했습니다.”
좋은 성과를 가져다 준 연구지만 연구 과정 가운데에는 많은 어려움이 있었다. 과거를 더듬던 김기웅 박사는 “지금 와서 솔직히 말하자면 새로운 아이디어를 주장하면서 한 가지 사실이 나를 괴롭혔다. 2009년 연구 과제를 받아 시작할 때부터 스스로의 아이디어 실현을 불가능하게 만드는 한 가지 중대한 미싱링크(missing link)가 있다는 사실을 알고 있었다”며 “생체활동에 의해 발생하는 자기장의 주파수와 생체활동에 공명된 양성자가 발생시키는 자기공명신호의 주파수가 완전히 같기 때문에 측정하려는 생체자기공명 신호를 계속 발생하고 있는 생체자기장으로부터 분리할 방법이 없는 것”이라고 말했다.
이후 장비를 셋업하는 동안에도 이 문제는 여전히 풀리지 않는 숙제로 김기웅 박사를 괴롭혔다. 그러다 일 년 쯤 지난 어느 날, 연구실에서 연장의 날을 갈던 김기웅 박사는 삐끗해서 숫돌에 날이 깨져나가는 일을 경험하게 됐다.
“순간 갑자기 아이디어가 떠올랐습니다. 생체자기공명에 의해 양성자가 누운 상태에서 갑자기 외부자기장을 변경하면 자기공명 신호는 변경된 자기장에 비례한 주파수의 신호로, 원하는 대로 바꿀 수 있겠다 싶었죠. 생각을 하고 나면 너무 당연한 콜럼버스의 달걀과 같은 답이지만 보통 초전도 자석을 사용하는 일반 자기공명에서는 고정돼 있는 외부 자기장을 바꿀 수 있다는 생각 자체를 하기 힘듭니다. 극저자장 NMR의 특징을 활용해 생각의 틀을 깬 거예요.
이러한 NMR 펄스를 ‘기웅스텝’이라고 부르기 시작했습니다. 기웅스텝은 위의 생체자기공명 신호 분리 외에도 극저자장에서의 MRI 영상을 얻기 위해 부딪히는 여러 가지 난제를 모두 해결해버리는 맥가이버 같은 아이디어였습니다.
기웅스텝은 생체자기공명 측정을 위한 핵심기술이어서 논문을 발표할 때 기웅(Kiwoong)의 K, KRISS의 K를 따서 K-step이라고 보고했습니다. 우리가 창시한 생체자기공명 분야가 성공적으로 파급된다면 교과서에 기술적인 부분으로 ‘KRISS Kiwoong step’ 이 기록되지 않을까요?(웃음)”
김기웅 박사는 이번 연구를 통해 기존에 없던 새로운 아이디어로 생체활동을 영상화 할 수 있는 원천기술을 독자적으로 개발한 셈이다. 그는 “세계 학계와 국제시장을 선도할 수 있는 새로운 연구 분야를 우리 힘으로 세울 수 있었다. 이것이 이번 연구의 가장 큰 의미가 아닐까 싶다”고 덧붙였다.
“연구개발이 성공적으로 진행돼 신개념 뇌기능 진단 혹은 의료장비 시장에 진출한다면 그동안 선진국의 글로벌 기업에 모든 원천 특허가 이미 선점돼 진출이 어려웠던 고가 의료장비 국제시장에서의 경쟁력을 가질 수 있다고 봅니다.
뇌 속 양성자를 직접 뇌파에 공명시켜 볼 수 있다는 아이디어를 설명해주면 누구나 눈을 반짝 거리며 ‘그것 참 신기하고 재미있는 아이디어’라고 합니다. 얼마 전 세계뇌과학 주간 행사의 일환으로 일반인을 대상으로 하는 강연을 진행했어요. 강연 내용이 고등학생들에게 좀 어렵지 않을까 우려했는데, 그 고민이 무색할 만큼 학생들은 정확히 이해했습니다.”
김기웅 박사팀은 앞으로 인간 뇌 실험을 진행하기 전 동물실험을 수행해 단계적으로 기술을 발전시킬 예정이다.
“생체자기공명은 비단 뇌연구에만 한정되지는 않다니다. 부정맥을 일으키는 심방세동의 경우 약 10 Hz로 진동하는 회귀성파동이 있는데 치료를 위해 심장내과 및 흉부외과에서 관심있는 것은 지배진동수(Dominant frequency)라고 불리는 특정 주파수의 회귀성파동의 위치를 알아내는 것이죠.”
김 박사는 “생체자기공명은 이 목적을 수행하기에 가장 적합한 방법”이라며 “심장자기공명이란 아이디어로 이미 논문을 발표한 만큼 실현이 된다면 매우 유용한 심장질환 진단장비를 개발하는 게 가능해 질 것”이라고 이야기했다.
“앞으로 생체자기공명 외에도 측정 기술로써의 극저자장 NMR 기술을 개발해 조영제 없이 고대비로 암을 영상화하는 기술, 화학·단백질 분석, 식음료 안전, 폭발물검출 등 여러 분야에 활용 가능한 인류 행복 측정 기술들을 마련할 생각입니다.”