뇌손상 후 운동신경기능 회복 기전 : 기능적 뇌 자기공명영상의 유용성 The Usefulness of fMRI Study

장성호,한봉수,장용민,변우목,김성호,조윤우 한국뇌학회 2001 한국뇌학회지 Vol.1 No.1

목적: 본 연구는 뇌손상환자에서 기능적 뇌 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI)을 이용한 대뇌운동피질 뇌지도화를 시행하여, 운동신경기능 회복 기전에 대한 기능적 뇌 자기공명영상의 유용성에 대하여 연구하였다. 방법: 신경학적 증상과 병력이 없는 성인 8명과 뇌손상환자 5인을 대상으로 하였다. 뇌손상환자 중 2명은 뇌종양환자이었으며 1명은 뇌출혈, 1명은 뇌경색, 1명은 뇌낭미충증환자이었다. 기능적 자기공명영상은 1.5T MR scanner로 Blood Oxygen Level-Dependent(BOLD) 기법을 적용하였다. 운동과제는 손가락을 1-2Hz의 주기로 쥐었다 펴기를 반복하도록 하였다. 결과: fMRI를 촬영한 결과 정상인 8인, 즉 총 16개의 손중 15개의 손과 환자 5인의 이환되지 않은 손운동시 반대측 일차 운동피질 꼭지(knob)를 중심으로 일차 감각운동피질(SM1)이 활성화되었다. 정상인 중 1인의 한 손에서 반대측 SM1과 동측 일차 운동피질(primary motor cortex, M1) 및 보조운동영역이 동시에 활성화되었다. 뇌손상환자의 이환측 손운동시 환자 1에서는 일차감각피질(primary sensory cortex, S1), 환자 2와 환자 3에서는 양측 SM1, 환자 4와 환자 5에서는 반대측 SM1이 활성화되었다. 환자 1에서는 손상된 M1의 운동신경기능이 S1으로 이전된 것으로 추정되며, 환자 4와 5에서는 손의 운동신경기능이 피질척수로에 의하여 유지되고 있는 것으로 추정되었다. 그러나 환자 2와 환자 3에서 발견된 동측 운동피질 활성화는 본래 정상적으로 존재하던 운동신경 경로인지 뇌손상 후에 발생한 운동신경기능 회복 경로인지 구분할 수는 없었다. 결론: fMRI을 통한 대뇌 운동피질 지도화는 뇌손상 후 병변 주위로의 재조직되는 회복 기전과 피질척수로에 의해 운동신경기능이 유지되고 있음을 입증하는데에 유용할 것으로 생각된다. Objective: This study investigated the usefulness of functional magnetic resonance imaging (fMRI) in the research of motor recovery mechanisms in brain injured patients. Method: Eight control subjects and five brain injured patients were investigated. Out of five patients, two were with brain tumor, one cerebral hemorrhage, one cerebral infarction, and one neurocysticercosis. fMRI was performed using the blood oxygen level-dependent (BOLD) technique at 1.5 TMR scanner with a standard head coil. The motor activation task consisted of finger flexion-extension exercises in 1-2 Hz cycles. Results: fMRI showed activation of the contralateral primary sensori-motor cortex(SM1) by the hand movements of all control subjects and by the unaffected hand movements of all brain-injured patients. Activation of the supplementary motor area(SMA) by one hand movement was also seen in one control subject. Hand movements of the affected hand of the brain injured patients resulted in activation of the contralateral primary sensory cortex(S1) in patient 1, both SM1 in patients 2 and 3, and the contralateral SM1 in patients 4 and 5. Conclusions: It is concluded that fMRI is useful for the research of perilesional reorganization and sparing of the corticospinal tract during the motor recovery mechanisms after brain injury.

Functional MRI를 이용한 뇌기능 연구

김연희 한국뇌학회 2001 한국뇌학회지 Vol.1 No.1

인간 뇌의 고위인지기능은 상호 긴밀히 연관된 대뇌 피질과 피질하 신경핵으로 구성된 대단위 신경망을 통하여 선택적으로 조절되어진다. 최근 기능적 뇌영상의 발달로 정상적인 인간의 뇌에서 인지 활동에 의하여 활성화되는 뇌영역을 가시화 할 수 있게 되었다. 이중 기능적 뇌 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI)은 공간 및 시간적 해상력이 매우 좋으며 방사선조사의 위험이 없고 반복적으로 영상을 얻을 수 있는 장점이 있어 최근 그 연구 및 활용이 증가되고 있다. fMRI는 blood-oxygen level dependent(BOLD) 방법을 이용하여 뇌의 활성화 부분을 영상화 하는 것으로서 뇌의 한 영역에서 신경 활성화 후 나타나는 국소의 혈역동학적 변화에 기초를 두고 있다. fMRI를 포함한 기능적 뇌영상연구방법을 통하여 언어, 기억, 집중력 및 시지각 능력 등 고위 인지기능을 담당하는 뇌신경망을 가시화할 수 있게 되었으며 감정과 동기에 작용하는 신경 영역이 밝혀지고 있다. fMRI를 이용한 뇌의 지도화는 뇌수술 전에 기능적으로 중요한 부위를 발견하여 보호할 수 있게 함으로써 수술 후 장애를 예방하는데 도움이 된다. 또한 fMRI를 이용하여 뇌손상 후 선천적 또는 후천적으로 일어나는 뇌신경망의 재조직화를 가시화할 수 있게 되었으며 고위 뇌기능과 뇌가소성의 기전을 규명하기 위하여 이 분야에서 더 많은 연구가 가속화될 것이다. The higher cognitive functions of the human brain are hypothesized to be selectively distributed across large-scale neural networks interconnected to cortical and subcortical areas. Recently, advances in functional imaging make it possible to visualize the brain areas activated by certain cognitive activities in vivo. Out of several technologies currently available for brain activation studies, functional magnetic resonance imaging (fMRI) is being increasingly used due to its superior time resolution and finer spatial resolution. The technique is non-invasive without radiational hazard, which allows repeated multiple scans within the individual. The most common approach to fMRI of brain is the one that uses ‘blood-oxygen level dependent (BOLD)’contrast, which is based on the localized hemodynamic changes following neural activities in the certain areas of the brain. With functional imaging technique including fMRI, neural networks subserving higher cognitive functions such as language, memory, attention, and visuospatial functions could be delineated and visualized. Neural substrates for emotion and motivation were also begun to be unveiled. Brain mapping by fMRI is very useful in detecting eloquent areas presurgically to protect the functionaly important areas and to prevent the residual disabilities. Reorganization of neural network following brain injury, congenital or acquired, could be also visualized by functional MRI. Further researches in this field will accelerate to define the mechanism of higher brain function and plasticity.

뇌기능 측정 및 분석 시스템

박현욱 한국뇌학회 2003 한국뇌학회지 Vol.3 No.1

한국인의 뇌 영상 데이터들과 피검자들의 개인 정보들을 저장하고 관리하는 데이터베이스 관리 시스템의 개발이 본 연구의 목적이다. 개발된 시스템은 다양한 한국인의 영상 정보와 개인 정보를 저장, 관리할 수 있기 때문에 다양한 한국인의 표준 뇌를 완성하는데 큰 기여를 할 수 있을 것이다. Besides the somatopical map of the motor cortex, the retinotopic map was even proven by various kinds of methods. One of them is using functional magnetic resonance imaging. This method has a big advantage, since it is totally no-invasive, whereas other research method such as optical imaging technique needs invasive brain operation. After the postprocessing of obtained images in the 3 T MR scanner, the retinotopical map was confirmed. And the inflated and flattened cortex map was newly constructed.

MEG를 이용한 기능성 뇌질환 진단연구

이용호,권혁찬,김기웅,김진목,박용기 한국뇌학회 2002 한국뇌학회지 Vol.2 No.2

두뇌 신경세포의 전기생리학전인 활동에 의해 발생되는 자기장의 분포를 머리 밖에서 초전도양자간섭소자(Superconducting QUantum Interference Device; SQUID)로 측정한 것이 뇌자도(Magnetoencephalogram; MEG) 이다. MEG 기술은 뇌신경활동에 참여하는 세포내 전류가 만드는 자기장 신호를 측정하므로 뇌신경활동을 직접 알 수 있는 장점이 있고, 비접촉 . 비파괴적인 측정방법이며 우수한 시간 . 공간분해능을 가지므로 뇌기능 연구 및 기능적 질환진단에 중요하게 사용될 수 있다. 이미 선진연구기관 또는 병원에서는 정밀한 뇌기능 연구 및 진단에 MEG 기술을 본격적으로 활용하기 시작하였다. 뇌신경회로의 미약한 전류에 의해 발생되는 MEG 신호는 매우 미약하기 때문에 정밀측정기술이 요구되는 데 고감도 SQUID의 개발, 환경자기잡음 제거기술, 신호처리기술 등이 개발됨으로써 MEG 측정이 가능하게 되었다. MEG의 주된 목적은 두뇌 활동전류의 위치, 크기 및 방향을 동적으로 표시하는 것으로서, 측정된 다채널 MEG 신호로부터 활동전류의 정보를 구하기 위하여 역문제의 해법을 풀고, MRI 데이터에 시각적으로 표시함으로써 임상적으로 유용한 정보가 된다. MEG는 뇌신경세포에서의 전기적 활동을 직접 관찰할 수 있다는 점에서 다른 뇌기능 영상진단법과는 구분되는 특징을 가지며, MEG 기술의 주된 응용분야는 수술전 대뇌피질의 기능조사, 간질 발생부위의 국소화, 정신분열 등 임상진단과 인지기능 연구이다. 본 논문에서는 MEG 신호의 발생원, MEG 기술의 특징, 측정에 필요한 요소기술, MEG의 응용예에 대해 소개하고자 한다. Magnetoencephalogram (MEG) is the magnetic fields produced by the electrophysiological activity of the brain. By measuring the MEG signals using the magnetic sensors, superconducting quantum interference devices (SQUID_s), localization and diagnosis of the brain function are possible with superior temporal and spatial resolution. Since the human head is transparent to the magnetic field and MEG measures the magnetic field signals without any disturbance, we can get precise information on the neural currents directly. However, the magnetic field strength of the MEG signals is very weak, typically smaller than 1 pT. In order to measure and analyze MEG signals, very sensitive SQUID sensors, elimination of environmental magnetic noises, signal processing and localization of current dipoles are necessary. As a totally noninvasive metho, MEG is currently used routinly in many advanced clinics for the locaization of epileptic foci and presurgical localization of the important brain regions.

통사처리과정에서 한국어-영어 이중언어자의 뇌 활성화

이승복,연은경,이다미,정관진 한국뇌학회 2002 한국뇌학회지 Vol.2 No.2

영어 유창성이 높은 한국어-영어 이중언어 후기 습득자들이 관계절 문장의 문법성 판단검사로 통사처리과제를 수행하는 동안 기능적 자기공명 영상을 측정하였다. 10명의 영어유창성이 높은 참여자들이 두 언어로 제시되는 문법성 판단검사를 수행하였다. 두 언어의 통사처리수행에서 활성화되는 뇌 영역을 통제과제, 응시과제와의 감산으로 산출하고, 두 언어 조건에서의 활성화 강도를 비교하였다. 그 결과, 두 언어의 처리 영역은 전반적으로 비슷하였으나, 한국어(Ll) 문장의 처리에 비해 영어(L2) 문장을 처리할 때 전두엽의 양쪽 반구에서 더 많은 활성화를 보였다. 전두엽의 양쪽 반구에서 더 많은 활성화를 보였다. 한국어 처리의 경우에는 오른쪽 전두엽의 활성화가 보이지 않는 반면, 측두엽의 활성화가 관찰되었다. 이러한 활성화 양상에 관해 이중언어와 통사처리의 특성이라는 면에서 논의하였다. To examine whether the bilinguals' two languages are represented in distinct or overlapping areas of the brain, we applied functional magnetic resonance imaging (fMRI). Ten proficient Korean-English (K-E) bilinguals participated in the experiment. We conducted a grammaticality judgment task in which subjects were asked to judge grammaticality of various kinds of relative clause constructions. The results showed that while the locations of activation were similar for both languages, the intensity of activation in these areas were much greater in I.2 English than I.1 Korean. It was also found that there was greater activation in left frontal regions during I.2 English processing than during I.1 Korean processing. As for the right frontal regions, the activation was observed only in I.2 English processing. However, Middle temporal gyrus was found to be activated during I.1 processing, not I.2 processing. We discussed the results as to the bilingualism and syntactic processing.

한국인의 표준 뇌를 개발하기 위한 영상 및 개인정보 관리 시스템의 개발

정순철 한국뇌학회 2003 한국뇌학회지 Vol.3 No.1

한국인의 뇌 영상 데이터들과 피검자들의 개인 정보들을 저장하고 관리하는 데이터베이스 관리 시스템의 개발이 본 연구의 목적이다. 개발된 시스템은 다양한 한국인의 영상 정보와 개인 정보를 저장, 관리 할 수 있기 때문에 다양한 한국인의 표준 뇌를 완성하는데 큰 기여를 할 수 있을 것이다. The purpose of this study is to establish a reference for image acquisition for completing a standard brain for diverse Korean population, and to develop database management system that saves and manages acquired brain images and personal information of subjects.

한국어 자음의 지각구조와 분리주의 상황에서의 한국어 자음 복원

김정오,배문정,김석준 한국뇌학회 2003 한국뇌학회지 Vol.3 No.1

한국어 음절 초성에 사용되는 18개 자음의 혼동 패턴으로부터 한국어 자음의 지각구조를 조사하고, 개별 차이 척도법과 가산군집 분석을 이용하여 한국어 자음의 지각적 차원과 특질을 추출하였다. 그리고 동시조음정보의 위치와 양이 주의 조건에 따라 한국어 자음의 복원에 미치는 영향을 알아보았다. The perceptual structure of Korean consonants was investigated by the confusion pattern between 18 prevocalic consonants and the INDSCAL and ADCLUS analysis. Also, it was examined whether phoneme restoration is affected by the location and the amount of coarticulation information.

정서유발단어에 대한 주의이동시 뇌신경망의 활성 양상

김연희,장은혜,고명환,신승훈,양경혜,손진훈 한국뇌학회 2002 한국뇌학회지 Vol.2 No.2

본 연구는 fMRI를 사용하여 정서유발단어에 의한 주의이동과 관련한 뇌신경망을 규명하기 위하여 12명의 오른손잡이 여대생을 대상으로 수행하였다. fMRI 실험을 위한 뇌활성화 과제는 예비실험을 통하여 선정된 행복, 슬픔, 위협에 해당하는 각각 36개씩의 단어와 각 단어의 짝을 이루기 위한 중성단어를 이용하여 변형된 Posner 패러다임을 블록디자인으로 고안하였다. fMRI 영상은 1.5T Simens Vision scanner를 사용하여 실시하였으며, single-shot EPI 기법으로(TR/TE:3840/40ms, flip angle: 90, FOV: 220, 64x64 matrix, Slice thickness: 6mm) 이미지를 얻었고 피험자의 반응시간을 기록하였다. 자료분석은 SPM-99 소프트웨어를 사용하였다. 정서유발단어는 중성단어에 비하여 반응시간이 의미있게 빨라 효과적인 주의이동이 일어났음을 알 수 있었다. 정서유발단어와 중성단어에 의한 뇌활성화 상태를 감산분석한 결과, 좌측 상두정엽, 양측 후두엽 및 소뇌에서 뇌활성화를 보였고, 이들 영역은 정서유발단어에 의한 주의이동시 특징적으로 활성이 일어나는 뇌영역임을 보여주었다. 또한 여러 가지 정서가를 가진 단어에 의해 유발되는 주의의 정도가 특징적인 신경망의 활성과 관련되어 있음을 알 수 있었다. The purpose of this study is to delineate the neural network related to the shift of attention and its modulation by emotion-provoking words using functional MRI (fMRI). Twelve right-handed normal female volunteers participated in fMRI study. Their mean age was 24 years and the mean modified Edinburgh score was +90. Emotion-provoking words representing happy, sad, threatened, and neutral emotional valences respectively were chosen by the assessment of 60 normal volunteers using semantic differentiation and Mannequin scales. The activation tasks were designed using modified Posner's paradigm to have 4 blocks of each emotional and control periods, Imaging was conducted on a 1.5T Siemens Vision scanner. Single-shot echoplanar images (TR/TE = 3840/40 ms, flip angle = 90, FOV = 220, matrix = 62 ? 64, slice thickness = 6㎜) were acquired in 20 contiguous slices parallel to the AC_PC line as well as conventional T1-weighted images. Response times were obtained during the scanning, Imaging data were realigned, coregistered, normalized, smoothed, and statistically analyzed in group using SPM-99 software. The results showed that emotional valence of word stimuli produced the effect of attentional engagement. The left superior parietal, inferior frontal, bilateral occipital lobes and cerebellum were main area of modulation of attentional network by emotional words stimuli. The different extent of brain activation induced by different emotion-provoking words were determined.

On-line Independent Component Analysis of EEG signals for Brain-Computer Interfacing

Yeo, Seong-Won,Lee, Chong-Ho 한국뇌학회 2001 한국뇌학회지 Vol.1 No.1

독립 성분 분석법(ICA)은 다양한 주변 장애신호로부터 독립 뇌 신호원을 분리해내는 뛰어난 성능 때문에 흥미롭고 유망한 결과를 도출하며 뇌전위신호(EEG)의 처리에 성공적으로 응용되어 왔다. 이렇게 분리된 신호들은 이후에 실용적인 EEG 응용제품의 개발을 위해서 뇌신호원과 장애신호로 적절히 구분되어야 한다. 본 논문에서는 ICA로 분리된 신호원으로부터 추출된 특징을 사용하여 LVQ신경회로망에 의해 학습되는 BCI 시스템을 선보인다. 이벤트 관련 비동기화(ERD)와 프랙탈차원(FD)이라는 두 개의 의미없는 특징이 분리된 신호원으로부터 만들어지고 정량적인 분석이 수행된다. 실험결과는 제안한 BCI 시스템이 실제의 손동작과 손동작의 상상에 따라 수반되는 EEG 신호로부터 왼쪽과 오른쪽의 경우를 효과적으로 판별함을 보인다. Independent component analysis (ICA) has been successfully applied for processing of EEG signals with interesting and promising results due to its remarkable ability to separate each independent brain source from various environmental artifacts. These separated signals need to be properly classified as brain sources or artifacts for further development of practical EEG applications. This paper demonstrates a brain-computer interfacing (BCI) system that is trained by the learning vector quantization (LVQ) neural network with features extracted from ICA separated sources. Quantitative analysis is performed on the separated sources to establish two meaningful features, event-related desynchronization (ERD) and fractal dimension (FD). The experimental results show that the proposed BCI system can effectively discriminate the left and right cases of EEG signals accompanied by both actual and imagery hand movements.

대뇌 정보처리 원리를 반영한 심성어휘집의 계산주의적 모델

남기춘,임희석 한국뇌학회 2003 한국뇌학회지 Vol.3 No.1

본 연구는 한국인 피험자를 대상으로 이루어진 어절 재인 실험시 관찰된 언어 현상인 길이효과, 빈도효과, 그리고 이웃 효과 등 대뇌 언어정보처리 원리를 설명할 수 있는 심성어휘집의 계산주의적 모델을 제안한다. 제안한 모델은 코퍼스에서 나타난 어절의 빈도를 이용하여 정렬한 트라이(trie) 구조를 기반으로 하고 있다. 본 모델은 피험자들의 어절 재인 현상을 모두 설명할 수 있으며 피험자들을 대상으로 한 실험에서 사용한 동일 자료를 이용하여 시뮬레이션한 결과 인간의 언어정보처리에서 보이는 언어 현상과 유의미한 상관 관계를 보였다. We proposed a computational mental lexicon model which can explain some linguistic effects in human language processing. The proposed model is based on modified trie data structure of which nodes are sorted by phoneme frequency. The model can explain frequency effect, length effect, lexical status effect. and similarity effect with easy because of its inherent characteristics of trie data structure. In addition, when we trained the model with 10 million Eojeol size corpus, the correlation between lexical decision time and frequency of input lexical was very similar that of human language processing.