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7T MRI를 이용한 시상핵 영상 : Thalamic Subnuclei Imaging Using The 7T MRI
김남범 가천의과학대학교 일반대학원 2010 국내석사
An outstanding interest in the thalamus has remained largely due to its importance as a role of gateway to higher brain center involved in cognition, sleep, arousal. It has been also well known that relationships are observed between thalamic nucleic structures and specific symptoms characteristic of schizophrenia. The thalamus is one of the most complex structures in the central nervous system. It is not a unitary structure and the individual thalamic nuclei still remains a challenge. Beyond question, the area of application for 7T MRI studies is currently being extended to include novel research subjects. In the present study, 3D high resolution thalamus imaging has been attempted using ultra high field 7T MRI. 10 normal volunteers were recruited for the study. 3-D Magnetization Prepared Rapid Acquisition Gradient Echo (MPRAGE) sequence with high resolution to as high as 0.7 × 0.7 × 1.2 mm3 with home-made Rx/Tx coil used for the best differentiation among the subthalamic nuclei. ROI analysis was done to assess the MR signal intensity at each thalamic subnuclei. The marked separation between thalamic subnuclei was outstanding due to the high contrast. We could differentiate AN, MD, VL in the anterior extended to part of thalamus and CM, MPul, LPul in the posterior part. The mean MR intensity value and SD of each thalamic subnuclei were 0.4 and 0.07 in AN, 0.31 and 0.05 in MD, 0.59 and 0.09 in CM, 0.29 and 0.09 in Dsf, 0.73 and 0.08 in VA, 0.64 and 0.06 in VL, 0.68 and 0.06 in VPL and 0.28 and 0.06 in PUL, respectively. Correlation coefficients of the mean MR intensity values in thalamic subnuclei with large neuron cell density and small neuron cell density (Dom, R. 1976) were 0.90 and 0.99, respectively. In conclusion, the outstanding performance of the 7T MRI compared to 3.0T and 1.5T MRI enables to differentiate thalamic subnuclei with remarkable accuracy. Moreover, the signal intensity values acquired using the 7T MRI at each thalamic subnuclei have high correlation with neuronal cell density. Judging from the present results, thalamus image using the 7T MRI will be helpful to more understand the role of thalamus as sensory gateway as well as cognitive neuroscience and uncover the relationship between the cell density change or shape deformation of thalamic subnuclei and the thalamic related disease like schizophrenia. 시상핵은 인지, 수면 및 각성상태를 담당하는 뇌피질들이 기능을 원활히 수행하는데에 있어서 기능적인 관문으로서의 중요성과 함께 임상적으로는, 시상핵의 구조 및 기능적 변화와 정신분열증과의 연관성이 잘 알려져 있다. 시상핵은 작은 하위시상핵 (Thalamic subnuclei) 들이 모여 하나의 시상핵을 이루며 이를 영상화하고 국소화하는 과제는 앞서 기술한 바와 같이 그 중요성 때문에 오랜 동안 연구되어 왔다. 최근에는 뇌과학의 발달과 더불어 고해상도의 의료영상기기인 7T MRI와 같은 초고자장 MRI가 개발되었고 또한 이를 이용한 연구가 점점 활발해 지고 있다. 본 연구의 목적은 고해상도가 가능한7T MRI의 장점을 이용하여 뇌과학의 주관심 영역 중 하나인 시상핵들을 구분해 내는 데에 있다. 이를 위하여10명의 건강한 정상인을 모집하여 7T MRI를 사용하여 시상핵 부위에서 고해상도 해부학적인 영상을 얻었다. 영상시퀸스는3D MPRAGE를 사용하였고 코일은 새장형 RF코일을 사용하였다. TR, TI, FA, Power 등의 영상 파라미터를 변화시키면서 최적의 영상을 구하였다. 결과적으로 시상핵의 Anterior nucleus (AD), Medial dorsal nucleus (MD), Ventral lateral nucleus (VL), Pulvinar (PUL) 등과 같이 내부핵의 구분이 가능하였으며 기존의 1.5T나 3T를 이용한 연구에서 보여진 시상핵 영상 보다 훨씬 높은 신호대잡음비와 대조도를 보여주었다. 관심영역 (ROI) 분석을 통해서 얻은 각 하위시상핵 (Thalamic subnuclei)의 영상강도와 현미경학적 분석에서 얻어진 세포 수와의 상관관계를 보면 큰 신경세포 수와는 0.9 그리고 작은 신경세포 수와는 0.99이다 (Dom, R. 1976). 결론적으로, 7T MRI를 이용한 시상핵 영상은 기존의 1.5T 나 3T 를 이용한 시상핵 영상에 비해서 높은 신호대잡음비와 대조도를 보여주었다. 그리고 7T MRI 를 이용하여 하위시상핵에서 얻어진 영상강도 (intensity value) 는 현미경하에서 얻어진 세포밀도와 매우 높은 상관관계를 나타내었다. 이러한 결과를 통해서 뇌과학 분야에서 시상핵에 대한 이해를 높이는데 기여할 것이며 특히 시상핵과 관계가 있다고 알려진 정신분열병과 같은 뇌질환을 이해하는 데에도 많은 기여를 할 것으로 기대 된다
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14세기 이후로 한국은 한자와 한글, 두 개의 문자체계를 사용하여왔다. 철자적 규칙성에 있어서 한자는 deep orthographic regularity를 가지고 있으며 한글은 shallow orthographic regularity 를 가지고 있다. 철자적 규칙성과는 별개로 주목할 만한 언어적 차이점은 형태소의 의미지시성 (morphemic clarity) 의 차이이다. 전술한 두 가지 언어적 차이점을 기반으로 자기공명영상장치를 이용하여 세가지 뇌영상 연구를 시행하였다. 첫 번째 연구는 우리의 뇌가 한자와 한글단어의 정보처리를 할 때 서로 다른 경로 (이중경로모형) 를 사용하는 가에 대한 연구와 함께 이중경로모형에 따른 뇌활성화가 문자에 대한 unfamiliarity로 인해서 영향을 받는지에 대한 연구이며 두 번째 연구는 한자와 한글이 가지는 형태소 수준에서의 의미지시성의 차이점이 단어수준에서의 의미투명도 (semantic transparency) 함께 인지기억에 어떻게 상호영향을 주는지에 대한 연구이다. 마지막으로 뇌졸중 이후에 선택적 읽기언어상실증 (selective alexia)이 나타난 환자에서 언어기능의 회복과 뇌의 가소성의 상관성연구이다. 결론적으로 첫 번째 연구에서 한국사람이 한자와 한글을 읽을 때 서로 다른 뇌영역을 사용하며 이러한 결과는 이중경로모형을 지지하는 결과이다. 하지만 문화적 영향 (예, 한글전용정책 등)으로 인해서 한자문자에 대한 unfamiliarity효과가 뇌활성화에 반영되어 오른쪽 반구의 활성화가 과장되어 나타났다. 두 번째 연구에서 한자가 가지는 형태소의 명확한 의미지시성은 한글에 비해서 한자를 형태소로 합성된 단어가 인지기억에 매우 유리할 뿐만 아니라 인지기억에 대한 의미투명성의 효과를 증대시켰다. 이러한 인지기억력의 증가는 왼쪽해마곁이랑 (left parahippocampal gyrus)의 BOLD 신호 증가를 동반하였다. 세 번째 연구에서 뇌졸중 이후에 한자읽기언어상실의 기능회복은 뇌경색 부위의 BOLD 신호 증가뿐만 아니라 반대측 반구의 Broca’s 영역의 BOLD 신호 증가와도 관계가 있었다. 이와 함께 시간이 증가하면서 BOLD 신호가 유의하게 증가된 뇌영역의 수와 영역의 크기가 점차 증가하는 것을 볼 수 있었다 (phase–dependent functional reorganization). The two basic scripts of the Korean writing system, Hanja (the logography of the Korean character, which known as Chinese characters) and Hangul (the Korean alphabet), have been used together since the 14th century. Hanja has deep orthographic regularity, whereas Hangul has the relatively shallow orthographic regularity. Apart from orthographic property, as a distinguishable aspect of language structure, Hanja and Hangul have different semantic divergence. Based on these linguistic differences between Hanja and Hangul, three neuroimaging studies were performed using functional magnetic resonance imaging (fMRI). The first was to find the evidence of differential cortical involvements for Hanja and Hangul and cortical representation of script unfamiliarity effect (Exp. 1). The second objective was to evaluate whether Hanja and Hangul script affect recognition memory in terms of morphemic clarity (Exp. 2). Finally, we studied to investigate neural language plasticity with a subject having selective alexia after the stroke (Exp. 3). In conclusion, the first experiment showed dual-route theory holds in Korean writing system. However, cortical representation of Hanja and Hangul seems to reflect unfamiliarity/frequency effect as well as orthographic regularity, which is expressed by the exaggerated appearance of right hemisphere lateralization during Hanja word reading (Exp. 1). In the second experiment, the representation of morphemic clarity provides relatively explicit and bounded meaning in mental lexical dimension, consequently, might provide an advantage of morphological decomposition of compound word which sequentially makes solid representations of meaning of compound word allowing for reliable encoding and retrieval, which is mediated LPHG in cortical level (Exp. 2). In the third experiment, the normalization of impaired language function was correlated with greater and enhanced activity in right-hemisphere homologous of Broca’s region as well as perilesional area. Presumably, phase–dependent functional reorganization is more important feature for cortical language plasticity (Exp. 3).
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