단위과제 고차 뇌기능 측정 및 분석 연구 박 현 욱 한국과학기술원 전기및전자공학전공

A. 시간적 공간적 고해상도 뇌기능 측정기술 확립 기술개발 목표 A. 시간적 공간적 고해상도 뇌기능 측정기술 확립 B. 뇌기능 측정자료의 분석 및 디스플레이 기술확립 C. 고차 뇌기능 및 신경망 특성 규명 D. 한국인 표준뇌와 뇌기능지도 개발

연구 체계 (조직) 고차 뇌기능 측정 시스템 그룹 뇌기능 그룹 가소성/재조직 김연희 fMRI, MEG Visualization Cross-modal 정관진 박현욱 강은주

사업단 연계 및 체계 사업단 뇌기능팀 행동 종합 청각 설계 시각 전문 인지 System Support (fMRI, MEG, EEG, Optical) 종합: cross-modality 전문: 가소성

공동연구기관 정 관 진 한국과학기술원 뇌과학연구센타 연구원: 책(3), 선(1), 원(4) 뇌기능 측정 시스템 fMRI 및 MEG 공동연구기관 정 관 진 한국과학기술원 뇌과학연구센타 연구원: 책(3), 선(1), 원(4)

fMRI Center 설립 동향

외국 예: MGH NMR Center Anders Dale (Principal Investigator), Project 1 - Intersubject Averaging and Registration          Anders Dale (Principal Investigator), Bruce Fischl, Doug Project 2 - Improved Analysis of fMRI Data           Emery Brown (Principal Investigator), Robert Weisskoff, Anders Dale, Patrick Purdon Project 3 - Multimodality Brain Imaging using MRI, EEG, MEG, and Optical data          Jack Belliveau (Principal Investigator), Giorgio Bonmassar, Denis Schwartz, Eric Halgren Project 4 - Functional Diffuse Optical Tomography of the Brain          Bruce Rosen (Principal Investigator), David Boas, Tom Gaudette

System Setup 설치완료: 7월 말

운영 방안 확립 Investigators Research proposal committee Review fMRI Schedule Train Investigators committee fMRI Support 지원/연구 인력 연구교수 석박사 학생 연구원 (1) 방사선사 (1)

1st (2001) 2nd (2002) 3rd (2003) 2단계 연도별 추진 계획 Year System Setup Real-time fMRI Physiology monitor Surface RF coil Multinuclear Imaging EPI ASL (FAIR) 3D imaging Spiral Advanced ASL Retino-topic Spectroscopy Continuous ASL Tono-topic Processing Visualization Brainvoyger, SPM Event related Surface imaging ICA Coregistration 3D surface New algorithms Standardi-zation Anatomical Cortex surface Template(Surface, anatomical) Advanced surface DB Brain map SW package DB accumulation Multi-modality MEG EEG (on site) Optical imaging (on site)

Real-time fMRI 실험이 쓸만큼 되었나를 바로 확인할 수 있다. Magnet IFIS Console Spectrometer MRI Console Stimulation MRI data NMR signal Images Super computing

Stimulation time: msec Event-related fMRI Block Event-related rest active Stimulation time: msec Stimulation time: sec Reduced habituation and anticipation Temporal resolution 개선 (기존 3초 1초) Flexibility of a stimulus design Comparison with ERP

MEG 장치 (표준과학연구원) Planar 40 ch system Area: 10 x 10 cm2 Spatial resolution: 6 mm Spherical 37 ch system Arc length: 18 cm Spatial resolution: 4 mm

뇌자도 기술의 중요성 뇌자도 발생원리 Windows on the brain MEG : 비접촉비파괴적 높은 시간분해능 Blood flow (fMRI, PET) EEG MEG Head surface Feedback current Cellular current Magnetic field Brain Electrode SQUID Invasiveness None High 10 EEG 8 SPECT 6 Spatial resolution (mm) PET 4 MEG desirable fMRI 2 MRI CT 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 Temporal resolution (s) MEG : 비접촉비파괴적 높은 시간분해능 전기생리학적 변화측정 뉴런의 전기적 활동  뇌기능 유발  자기장 발생

연구 목표, 내용, 추진 계획 청각자극 제시기술 시각자극 제시기술 Gantry 구성 자기잡음 제거 MRI 데이터의 좌표화기술 1 차 년 도 청각자극 제시기술 시각자극 제시기술 Gantry 구성 자기잡음 제거 MRI 데이터의 좌표화기술 2 차 년 도 MEG와 fMRI 결합기술 역문제 해법연구 자극유발 MEG 측정 3 차 년 도 뇌활동부위의 이동패턴 표시기술 개발 인지자극유발 시간·공간적 뇌기능분석

연구내용 - (f)MRI와 결합 : 뇌활동부위 표시 (x, y, z, Q, ) 머리좌표계와 MRI의 결합 MEG 측정 전류원 계산 MRI에 표시 동적 표시기술 t4 t2 뇌활동부위의 시간·공간적인 이동과정 지도화 기술 ... t3 t1

기대 성과 MEG 결과 MEG와 fMRI의 결합 fMRI 결과 시간공간해상도 향상 정밀 뇌기능 측정기술확보 200350 ms t  1 ms 230600 ms 400780 ms 100 ms fMRI 결과 150400 ms 450720 ms 시간공간해상도 향상 정밀 뇌기능 측정기술확보

뇌기능 가시화 및 통계학적 특성 획득 주관연구기관 박 현 욱 한국과학기술원 전자전산학과 연구원: 책(1), 원(5)

Cortical Surface Visualization Flattening Intersubject normalization Talairach Surface

Intersubject Normalization

뇌기능 지도 구현 1차 년도 2차 년도 3차 년도 Segmentation Registration /Template More samples Surface rendering Cortex surface visualization 방법이용 Intersubject normalization 뇌기능지도

기대 성과 Talairach space 및 Cortex surface 상에 병변 표현 통계적 특성의 데이터 베이스화 Graphic하게 뇌의 구조 및 기능의 표현

한국인 표준뇌 표준뇌 Anatomical template Cortex template Functional map 한국인 독특 뇌기능 Normalization Inter-subject averaging 정서 언어 문자 후각 미각

교차 양상 상호작용 (cross-modal integration) 공동연구기관 강 은 주 서울의대 연구원: 원(7)

Cross-modal integration 통제 주의 시각 청각 이해 기억

Audio-visual interaction in speech hearing (Structural Equation Model) 억제성 흥분성 Parietal 0.20 0.35 Frontal 0.30 0.35 0.10 0.30 Post Sup Temp G V5/MT 0.43 0.50 0.40 Visual 0.40 -0.35 Ant Sup Temp G Auditory -0.25 0.50

연구 목표, 내용, 추진 계획 Cross Modal Interaction Network Model 기존 연구 결과 fMRI, PET, 환자연구 Cross- modal Interaction 시각, 청각 자극 (언어처리, 기억형성) fMRI 측정 1년차 정상인의 기능 뇌지도 시공간, 언어자극 cross-modal plasticity 환자 vs. 정상인 fMRI /PET 측정 fMRI 측정 Network 검증 2년차 시각, 청각 자극 (언어처리, 기억형성) Connectivity분석 rTMS SEM 분석 3년차 Cross Modal Interaction Network Model

rTMS (repetitive Transcranial Magnetic Stimulation) rTMS장비와 Double 70mm Coil.

기대 성과 1. 청각/시각 정보 처리의 두뇌 기능 지도 2. Cross-modal정보처리 이해 V5/MT Auditory Post Sup Temp G Parietal Frontal Ant Sup Temp G -0.25 0.30 0.35 0.40 0.50 0.20 0.10 0.43 Visual -0.35 3. 수학적 network 모델 제시

신경망 가소성 및 재조직 기능 연구 (Neuronal Plasticity and Reorganization) 공동연구기관 김 연 희 전북대학교 의과대학 재활의학과 연구원: 선임(2), 원(4)

연구 분야 : 뇌 가소성 및 재조직 운동신경망 감각신경망 주의신경망 고위뇌신경망 언어신경망 기억신경망

Examples of Hierarchical Architectures of Connectivity in Attentional Network 0.14 0.1 0.2 V1 V5 PFC LGN PP = V5 V1 V1xPP PP PP

현재의 연구 동향 (예)- 국외 연구 Control Trained ⊙ Karni et. al.; 1995; Nature Examples of Neuronal Plasticity in Human Motor Cortex: Expansion of Cortical Representation of Fingers after Training Control Trained

현재의 연구 동향 - 본 연구진 ⊙ 정상인에서 대단위 (large-scale) 주의신경망의 규명 연구 (Neuroimage 1999) Attentional network in normal person ⊙ 실어증 환자들의 언어재활 후 뇌 신경망의 재조직 양상 연구 (대한재활의학회지 2000, 뇌학회지 2001) Reorganization of language network in aphasic patient: right frontotemporal subcortical areas showed activation during language task. (right=right)

현재의 연구 동향 - 본 연구진 ⊙ 장성호 등 (대한재활의학회지, 2000, 뇌학회지 2001) - MRI와 TMS (transcranial magnetic stimulation)를 이용하여 동측 운동경로의 규명 과 운동신경망의 재조직에 관한 연구 Ipsilateral motor pathway showed by fMRI and TMS. Bilateral cortical activation in fMRI during left hand motion (left). TMS confirmed ipsilateral motor pathway by cortical stimulation (right)

fMRI, TMS, MEG 등 Multimodality 통합 연구 목표, 내용, 추진 계획 뇌 기능 변화에 따른 신경망 조직 변화 규명 운동장애 주의력장애 1차년도 뇌 신경망의 가소성 및 재조직 양상 규명 TMS, MEG 등 운동 신경망 감각 신경망 고차뇌기능장애 주의/언어/기억 2차년도 훈련 학습 각종 뇌기 능 촉진법 노화 신경생물학적 가소성 기전 뇌 신경망 가소성 및 재조직 촉진 기전 규명 fMRI, TMS, MEG 등 Multimodality 통합 3차년도 뇌 신경망 가소성 및 재조직 기전 규명

기대 성과 ⊙ 뇌 손상, 퇴행성 뇌 질환, 노화와 관련된 뇌기능 장애에서 뇌 가소성을 극대화하고 뇌 재조직을 촉진할 수 있는 기법 및 신약 개발. ⊙ 신경망 connectivity의 변화를 규명하여 뇌 가소성에 대한 수학적 모델 개발에 활용. ⊙ 효과적인 훈련과 학습 방법 등 뇌기능 촉진기법 개발에 활용

과제 예산 기관 책임자 과제비 (천원) KAIST 정관진 293,000 박현욱 73,000 서울대 강은주 35,000 전북대 김연희 합계 436,000

결 론 뇌기능의 수학적 모델을 수립 Temporal resolution (s) Spatial resolution (mm) 결 론 Temporal resolution (s) Spatial resolution (mm) 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 2 4 6 8 MEG fMRI PET EEG Invasiveness High None Desirable Optical imaging 뇌기능의 수학적 모델을 수립

Riken, Minnesota, Wisconsin 협동 체계 뇌신경 정보학 사업단 BSRC, fMRI Varian co. Varian sites Riken, Minnesota, Wisconsin 성균관의대 국내 대학 및 병원 생물학 MEG 표준연구원