Analytical Methods for the Analysis of Structural Connectivity in the Mouse Brain

임상진(Sang-Jin Im),백현만(Hyeon-Man Baek) 한국방사선학회 2021 한국방사선학회 논문지 Vol.15 No.4

자기공명영상(MRI)은 뇌의 구조적 및 기능적 연구에서 핵심 기술로 필요성이 증가하고 있다. Tractography 분석을 이용하는 뇌지도(Connectome)는 MRI를 통해 뇌의 구조적 연결성을 확인하고 연결성의 변동성을 이용해 질병 병리학에 대한 이해를 높이는 방법으로 인간을 대상으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 하지만 마우스 같은 작은 동물의 경우 분석 방법의 표준화가 부족하고 영상에 대한 정확한 전처리 전략 및 아틀라스 기반 신경 정보학에 대한 과학적 합의가 없다. 또한, 인간의 뇌에 비해 마우스의 뇌는 매우 작기 때문에 높은 해상도를 갖는 영상을 획득하는 것에도 어려움이 있다. 연구에서는 구조적 영상과 확산 텐서 영상을 이용해 구조 영역 세분화를 포함한 구조적 연결성 분석을 가능하게 하고 마우스 뇌 데이터를 처리하는 Allen Mouse Brain Atlas 기반 영상 데이터 분석 파이프라인을 제시한다. 각 분석 방법은 마우스 뇌 영상 데이터의 분석을 가능하게 하고 이미 인간 영상데이터로 검증된 소프트웨어를 이용해 신뢰성을 가질 수 있게 하였다. 또한, 연구에서 제시되는 파이프라인은 복잡한 분석 과정과 다양한 기능들 중 마우스 Tractography에 필요한 기능들을 정리하여 사용자가 효율적으로 데이터 처리를 하는데 최적화되었다. Magnetic resonance imaging (MRI) is a key technology that has been seeing increasing use in studying the structural and functional innerworkings of the brain. Analyzing the variability of brain connectome through tractography analysis has been used to increase our understanding of disease pathology in humans. However, there lacks standardization of analysis methods for small animals such as mice, and lacks scientific consensus in regard to accurate preprocessing strategies and atlas-based neuroinformatics for images. In addition, it is difficult to acquire high resolution images for mice due to how significantly smaller a mouse brain is compared to that of humans. In this study, we present an Allen Mouse Brain Atlas-based image data analysis pipeline for structural connectivity analysis involving structural region segmentation using mouse brain structural images and diffusion tensor images. Each analysis method enabled the analysis of mouse brain image data using reliable software that has already been verified with human and mouse image data. In addition, the pipeline presented in this study is optimized for users to efficiently process data by organizing functions necessary for mouse tractography among complex analysis processes and various functions.

알렌 마우스 브레인 아틀라스를 이용한 반자동 신경섬유지도 분석 : 여기수와 신호대잡음비간의 DTI 획득 비교

임상진(Sang-Jin Im),백현만(Hyeon-Man Baek) 한국방사선학회 2020 한국방사선학회 논문지 Vol.14 No.2

자기공명영상(Magnetic Resonance Image)을 이용한 구조적 연구 방법에서 뇌 구조 세분화 방법은 최근 빠르게 발전하여 구조 이미지의 자동 분할을 위한 유능한 방법론이 되었다. 특히 아틀라스 정보를 이미지에 등록해 피사체의 이미지로 전달하는 분할(Segmentation) 방법은 아틀라스(Atlas)의 정확도에 편향되기 때문에 높은 정확도를 갖고 있는 아틀라스가 필요하게 된다. 알렌 마우스 뇌 아틀라스(Allen Mouse Brain Atlas)는 마우스의 아틀라스 중에서 높은 정확도를 갖고 있어 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 신경섬유지도(Tractography)에 필수적인 마우스 뇌구조의 정확한 좌표와 분할 정보를 제공할 수 있다. 또한 기능적 연구 방법인 뇌의 백질 경로를 재구성하는 확산텐서영상(Diffusion Tensor Image)에 대한 확률론적 신경섬유지도를 사용하여 포괄적인 뉴런 네트워크를 매핑 하였다. 인간의 뇌 연구 결과와 마우스의 뇌 연구 결과는 비교분석 할 수 있어 인간에게 적용하기 어려운 실험들을 질환이 모델링된 마우스를 통해 결과를 얻어 임상적으로 이용이 가능하기 때문에 마우스 실험의 중요성이 올라가고 있다. 하지만 마우스를 이용한 연구에서 인간과 마우스의 뇌 크기 차이로 인한 문제가 있어 동등한 영상의 질을 달성하려면 다양한 조건이 필요하게 되며, 그중 대표적으로 충분히 긴 스캔시간이 필요하게 된다. 충분히 긴 스캔시간을 확보하기 위해 본 연구에서는 마우스의 뇌를 샘플화시켜 Ex-vivo 실험이 진행되었으며, 마우스 커넥톰(Connectome) 매핑에 대한 참조를 제공하기 위해 이 연구는 아틀라스 정규화 도구인 ANTx와 확산 텐서 영상을 분석할 도구인 FSL을 사용하여 마우스 뇌의 반자동 분할 및 신경섬유지도 분석 파이프라인을 제시하여 다양한 마우스 모델에 적용하고자 했다. 또한, 신경섬유지도 분석을 위해 획득하는 확산텐서영상의 유용한 신호대 잡음비를 결정하기 위해 다양한 여기수의 영상을 획득해 비교분석하였다. Advancements in segmentation methodology has made automatic segmentation of brain structures using structural images accurate and consistent. One method of automatic segmentation, which involves registering atlas information from template space to subject space, requires a high quality atlas with accurate boundaries for consistent segmentation. The Allen Mouse Brain Atlas, which has been widely accepted as a high quality reference of the mouse brain, has been used in various segmentations and can provide accurate coordinates and boundaries of mouse brain structures for tractography. Through probabilistic tractography, diffusion tensor images can be used to map comprehensive neuronal network of white matter pathways of the brain. Comparisons between neural networks of mouse and human brains showed that various clinical tests on mouse models were able to simulate disease pathology of human brains, increasing the importance of clinical mouse brain studies. However, differences between brain size of human and mouse brain has made it difficult to achieve the necessary image quality for analysis and the conditions for sufficient image quality such as a long scan time makes using live samples unrealistic. In order to secure a mouse brain image with a sufficient scan time, an Ex-vivo experiment of a mouse brain was conducted for this study. Using FSL, a tool for analyzing tensor images, we proposed a semi-automated segmentation and tractography analysis pipeline of the mouse brain and applied it to various mouse models. Also, in order to determine the useful signal-to-noise ratio of the diffusion tensor image acquired for the tractography analysis, images with various excitation numbers were compared.

Exploring the Thalamus of the Human Brain using Tractography Analysis at 3Tesla MRI

임상진(Sang-Jin Im),김주연(Joo-Yeon Kim),백현만(Hyeon-Man Baek) 한국방사선학회 2021 한국방사선학회 논문지 Vol.15 No.4

시상은 신경 기능 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 뇌의 중앙에 위치한 시상은 수면, 각성, 감정 조절에 관여하며, 다발성 경화증, 본태성 떨림, 파킨슨병과 같은 신경퇴행성 질환과 관련이 있는 것으로 보고되고 있다. 또한, 시상의 철 침전물이 나이가 들면서 우울 증상을 유발할 수 있다는 보고가 있다. 연구 간에 차이가 있지만, 시상과 감정 조절, 처리 등의 신경 기능이 밀접한 관계가 있어 시상 영역이 신경 장애에 분명한 영향을 미친다고 추론할 수 있다. Tractography 분석을 통해 각 피질하 영역의 세부 영역 간의 연결성을 매트릭스 형태로 조사하여 강한 연결성과 약한 반구간 연결성을 보였다. 60세 이상 그룹에서 시상의 WM 연결성이 두 그룹보다 약한 것으로 나타났다. 두 그룹을 비교한 결과 젊은 그룹(10-39세 및 40-59세)가 60세 이상` 그룹보다 연결 강도가 높았고 각 반구에서 3개의 연결 경로에서 통계적으로 유의한 차이가 발견되었다. 노화로 인한 시상 관련 연결 강도의 감소는 불안 및 우울증과 같은 정서적 및 신경학적 장애에 영향을 미칠 수 있으며 네트워크 측정은 임상 조건 전반에 걸쳐 인지 장애를 평가하는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었다. Thalamus is known to play an important role in the regulation of nerve function. Thalamus, located in the center of the brain, is involved in sleep, arousal, and emotional regulation, and has been reported to be associated with multiple sclerosis, essential tremors, and neurodegenerative diseases such as Parkinson s disease. In addition, it has been reported that iron deposits in the thalamus can cause depressive symptoms with age. Although there are discrepancies between studies, it can be deduced that the thalamus region has a clear effect on neurological disorders due to a strong relationship between the thalamus and neurological functions such as emotional control and processing. Through tractography analysis, the connectivity between the detailed areas of each subcortical region was investigated in the form of a matrix, showing strong connectivity and weak interhemispheric connectivity. In the 59> group, the WM connectivity of thalamus was found to be weaker than those of the two groups. Comparisons between the two groups showed that the young groups (10-39 and 40-59) had higher connection intensity than the 59> group and that statistically significant differences in 3 connection pathways were found in each hemisphere. A decrease in thalamus-related connection strength in aging has shown that it can affect emotional and neurological disorders such as anxiety and depression, and network measurements can help assess cognitive impairment across clinical conditions.

항만 용접 작업자의 안전을 지켜주는 스마트 용접 헬멧

손유리 ( Yu-ri Son ),신윤정 ( Yun-jeong Shin ),이하연 ( Ha-yeon Lee ),임상진 ( Sang-jin Im ),김인수 ( In-soo Kim ) 한국정보처리학회 2023 한국정보처리학회 학술대회논문집 Vol.30 No.2

용접작업은 다양한 산업에서 이루어지는 중요한 작업인데 반해, 여러 가지 위험요소들로 인해 작업자의 건강에 위협을 가할 수 있다. 또한, 용접 작업자들을 효율적으로 관리할 수 있는 안전점검인력이 부족한 실정이다. 이에 본 논문은 항만 용접 작업자의 안전을 위한 스마트헬멧 제작과 연동 APP을 개발하여, 체계적으로 작업자의 건강을 관리하고 안전사고를 미연에 방지하는 데에 그 목적이 있다.