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【뇌과학올림피아드】 5강. 뇌공학 – 정빈이의 공부방
⑵ 분야 : 인공지능, 인지로봇, BCI, 뇌영상 처리, 컴퓨터 이미징, 패턴 인식, Neuron-on-a-Chip, 생체모방, 가상현실, 나노바이오공학, 신경정보학, 신경모델링, Neural Microsystem, Optogenetics 등
○ 관련 연구 : 수면 중에 감지, 해마(Kahana et al., 1999), 시상 핵(Hughes et al., 2004), 시상 피질 루프(Talk et al., 1999), 작업기억 기능
○ 관련 연구 : 깊은 수면(Steriade, 1993), 큰 스케일의 피질 통합(Bruns & Eckhorn, 2004), 신피질·시상피질 네트워크(Steriade, 1999)
23 thg 6, 2016 — 5강. 뇌공학(Brain-engineering) 추천글 : 【생물학】 뇌과학올림피아드 목차 1. 뇌공학의 정의와 적용 분야 2. 뇌공학의 기초이론 3. 뇌신호 처리 4.
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【뇌과학올림피아드】 5강. 뇌공학
5강. 뇌공학(Brain-engineering)
추천글 : 【생물학】 뇌과학올림피아드 목차
1. 뇌공학의 정의와 적용 분야
2. 뇌공학의 기초이론
3. 뇌신호 처리
4. 뇌기능 제어
5. 뇌공학 사례
1. 뇌공학의 정의와 적용 분야
⑴ 정의 : 뇌기능의 원리와 이를 인공 시스템과 연결하는 기술을 연구하는 학문
⑵ 분야 : 인공지능, 인지로봇, BCI, 뇌영상 처리, 컴퓨터 이미징, 패턴 인식, Neuron-on-a-Chip, 생체모방, 가상현실, 나노바이오공학, 신경정보학, 신경모델링, Neural Microsystem, Optogenetics 등
2. 뇌공학의 기초이론
⑴ 신경 부호화(Neural Encoding)
① 동조곡선(Tuning Curve): 근육이 향하는 방향에 따른 신경 자극의 강도에 대한 그래프
⑵ Aliasing and Nyquist Sampling Theory : 샘플링 주파수는 최소한 원래 주파수의 2 이상의 정수배여야 함
⑶ 신경모방 시스템(Neuromorphic System)
① 정의 : 뇌의 생물학적 신경 기작을 모방하여 지각 인지, 제어 기능을 수행하는 전자 시스템
② 목표 : 뇌의 기능을 모방하여 최종적으로 적은 비용으로 고효율을 창출하는 것
⑷ STDP(Spike Time Dependent Plasticity)
① 기억의 정의 : 시냅스 전에 있는 j번째 뉴런과 시냅스 후에 있는 i번째 뉴런의 시냅스 강도 ω ij 의 변화
② 시냅스 강도 변화는 시냅스전 뉴런의 송신시간(t j pre)과 시냅스후 뉴런의 수신시간(t i post)의 차이에 대한 함수임
⑸ Memristor(Memory Resistor)
① 저항, 인덕터, 캐패시터에 이어 4대 전자소자 구성
② 수식화
③ 전류의 값을 기억
⑹ 인공 신경망 : 딥러닝 알고리즘
① McCulloch-Pitts 모델의 가설
○ 뉴런은 실무율의 법칙을 따름
○ 어떤 뉴런을 흥분시키려면, 2개 이상의 고정된 수의 시냅스가 일정한 시간 내에 활성화돼야 함
○ 신경 시스템에서 유일하게 의미 있는 시간지연은 시냅스에서만의 지연이다.
○ 어떠한 억제 시냅스는 그 시각의 뉴런의 활성화를 절대적으로 방지
○ 인간과 달리 신경망의 구조가 시간에 따라 변하지 않음
② 기계학습(Machine Learning)
○ 지도학습(Supervised Learning) : 정확한 정보를 알고 있는 샘플들로 집합의 규칙을 알아내는 것
○ 자율학습(Unsupervised Learning) : 명시적 정보가 없는 샘플들로 집합의 규칙을 알아내는 것
○ 강화학습(Reinforcement Learning) : 보상-행동 체계를 이용
3. 뇌신호 처리
⑴ 뇌공학 기법들의 공간적 – 시간적 해상도, 침습 정도
① EEG : 20 mm – 0.001초, 비침습적
② IEEG : 3 mm – 0.001초, 침습적
③ MEG : 3 mm – 0.001초, 비침습적
④ MRS : 10 mm – 0.1초, 비침습적인 편
⑤ fMRI : 3 mm – 3.3초, 비침습적인 편
⑥ PET : 3 mm – 33초, 약간 침습적
⑦ SPECT : 7 mm – 1000초, 보통
⑵ 뇌전도(EEG; Electroencephalogram)
① 정의 : 뇌신경세포의 활동에 수반되어 생성되는 전기적 변화를 외부에서 측정하고 기록하는 검사
② 역사
○ 1875 : Coton이 동물의 뇌의 전기활동을 기록
○ 1925 : Nemunski가 개의 뇌전도를 연구
○ 1929 : Hans Berger가 EEG에서 α 파와 β 파를 발견
○ 1933 : Adrin이 뇌파 증명, 임상 응용
③ 관심 영역
○ 시간 영역 : 뇌파가 시간에 따라 어떻게 변하는지 조사
○ 주파수 영역 : EEG의 스펙트럼 조사
④ 신호 처리
○ 필터링(Filtering) : 원치 않는 신호(예. 노이즈)를 제거
○ 푸리에 분석(Fourier Analysis) : 뇌파 신호를 여러 개의 사인파로 분해하는 것
○ 웨이브릿 분석(Wavelet Analysis) : 시간 영역과 주파수 영역의 정보를 모두 이용, 불확정성 원리에 의해 시간과 주파수 간 균형이 존재
⑤ 종류 1. 델타(δ)파
○ 4 Hz 미만, 가장 진폭이 큼
○ 깊은 수면, 중증 뇌장애에서 관찰
○ 관련 연구 : 깊은 수면(Steriade, 1993), 큰 스케일의 피질 통합(Bruns & Eckhorn, 2004), 신피질·시상피질 네트워크(Steriade, 1999)
⑥ 종류 2. 세타(θ)파
○ 4-8 Hz
○ 신생아에서 나타남, 성인의 경우 정신적 스트레스, 작업기억(working memory) 작용시
○ 관련 연구 : 수면 중에 감지, 해마(Kahana et al., 1999), 시상 핵(Hughes et al., 2004), 시상 피질 루프(Talk et al., 1999), 작업기억 기능
⑦ 종류 3. 알파(α)파
○ 8-13 Hz
○ 안정시에 주로 나옴
○ 관련 연구 : Berger(1924), PLI(Phase-Locking Index), 위상 일관성
⑧ 종류 4. 베타(β)파
○ 13-30 Hz
○ 시각적 자극, 연상, 운동시 주로 나타남
⑨ 종류 5. 감마(γ)파
○ 30 Hz 이상
○ 주의, 어려운 의미 해석시
⑩ 간질파
⑪ EMG : 근전도 근육의 전기적 현상을 기록
⑫ 수면
○ 렘수면(REM) : 골격근 이완, 눈 운동↑, 호흡↑, 심장박동↑
○ 비렘수면(NREM) : 숙면상태
⑶ X선 촬영
① 뢴트겐(Röntgen) 박사가 1895년 11월 8일에 우연하게 X선을 발견
○ 1900년에 이미 활발히 사용됨
○ 1901년 뢴트겐은 이 공로로 첫 번째 노벨 물리학상을 수항
Figure. 1. 뢴트겐 박사와 당시의 X-ray 영상
② 물질의 원자량과 밀도에 따라 X선의 투과도가 결정
○ X선이 시료 혹은 환자를 통과한 투과량을 측정
○ 원자량과 밀도가 모두 높은 금속이나 뼈는 X선이 거의 통과하지 못함
○ X선은 인체에서 폐(공기), 지방, 물, 백질, 회질, 뼈 순으로 잘 통과
○ 투과도가 높은 조직일수록 X선 영상에서 검게 보임
③ 혈관에 조영제를 주입하면 혈관의 모양이 보이기도 함; 조영제 응용 기술은 MRI에서도 자주 쓰임
○ 동맥조영술(Arteriography)
○ Dynamic Angiography : 약물이 동맥에서 정맥으로 가는 흐름을 알 수 있음
④ 방사선 피폭으로 인해 자주 쓰면 해로움
Figure. 2. X선 분석 기법의 모식도
⑷ 양전자 방출 다층 촬영술(PET; Positron Emission Tomography)
① 임상적 절차
○ 1st. 특수한 방사성 동위원소가 표지된 [15O]H 2 O나 [18F]FDG를 주사
○ 주로 포도당 방사성 동위원소 이용
○ 2nd. 활성화된 뇌 부위에 혈류 및 포도당 대사 집중
○ 3rd. 해당 부위에서 방사성동위원소가 분해하여 에너지 방출
○ 4th. 방출된 에너지를 감지해서 활성화된 부위 식별
② 특정 신경전달물질의 수용체가 어디에 얼마나 분포하는지 영상화 가능
○ 특정 수용체에 결합하는 리간드에 방사성 동위원소를 표지하면 됨
○ 장점 : 정신질환의 병리를 분자 수준에서 직접 조사, 정신약물학 분야에서 활발히 연구
③ 단점 : 방사성 동위원소의 유해성, 정맥주사
⑸ 전산화 단층 촬영(CT; Computed Tomography) : 3D 컴퓨터 분석
① Allan Cormack, Godfrey Hounsfield는 CT 발명의 공로로 1979년 노벨상 수상
② 방사선원으로 X-ray나 PET를 사용하고 보통 X-ray를 많이 사용
③ X-ray나 PET를 여러 방향에서 투과시킨 뒤 조직에서 흡수되는 차이를 디지털 수치화하여 표면 단면 영상을 생성
④ 단순 X-ray 영상에 비해 조직 사이의 음영 대조도(투과도 차이)를 정확하게 구분할 수 있음
⑤ 뇌의 구조적 병변(예 : 뇌출혈, 뇌종양, 뇌실의 확장 여부)를 쉽게 찾을 수 있음
Figure. 3. CT의 원리
X-선 튜브와 디텍터가 서로 마주보면서 계속 회전함
⑹ 자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging)
① 과정
○ 1st. MRI는 Shim 코일과 Gradient 코일로 둘러싸인 솔레노이드 구조로 구성
○ 2nd. MRI 내 강한 자기장이 형성되면 1H의 원자 자기모멘트 방향이 자기장 방향과 나란해짐
○ 3rd. RF 송신기가 고강도의 무선주파수(RF; Radio Frequency)를 보냄
○ 4th. 핵자기공명(NMR; Nuclear Magnetic Resonance) : 1H가 일부 RF와 공명하여 에너지를 흡수
○ 5th. 에너지를 흡수한 1H는 원자 자기모멘트의 방향이 바뀜
○ 6th. 그 1H는 이내 에너지를 방출하면서 원래 방향으로 자기모멘트가 복귀
○ 낮은 에너지 준위로 되돌아오는 데 걸리는 시간은 조직마다 상이
○ 7th. 자기모멘트의 변화가 RF 수신기에 유도 전류 및 유도 전압을 생성
○ 8th. ADC가 푸리에 변환 등을 이용해 RF 신호를 디지털 신호로 전환
○ 9th. 3rd-8th의 과정을 반복하여 1H의 복귀 시간을 조사하여 영상화 및 스펙트럼 분석(MRS; Magnetic Resonance Spectroscopy)
② 특징
○ 뇌를 1 mm 단위까지 자세히 보여줌
○ 백질과 회백질 구별 가능
○ 용적측정술 : MRI 이미지를 3차원화하여 특정 부위의 용적을 측정하는 것, 정신질환 연구에 흔히 사용
③ 예시
○ 주의사항 : Horizontal View에서 MRI 사진은 항상 좌우반전; 발끝에서 올려다 보는 관점이기 때문 (Figure. 8-10)
○ 측면(Lateral) 시점에서의 뇌
Figure. 4. 측면(Lateral) 시점의 뇌
○ 안쪽(Medial) 시점의 뇌
Figure. 5. 안쪽(Medial) 시점의 뇌
○ 상부(Superior) 시점의 뇌
Figure. 6. 상부(Superior) 시점의 뇌
○ 관상(Coronal) 시점의 뇌
Figure. 7. 관상(Coronal) 시점의 뇌
⑺ 기능적 MRI(fMRI; Functional MRI)
① 혈액산소수준의존효과(BOLD, Blood Oxygenation Level Dependent Effect) (DeYoe et al., 1994)
○ 단계 1. 뇌 활동 증가 → 산소 섭취 증가, 뇌 혈류 증가
○ 뇌 혈류 증가 : 산소화된 헤모글로빈을 전달하기 위함
○ 단계 2. oxyHb 증가, deoxyHb 감소
○ oxyHb : 산소화된 헤모글로빈(oxygenated hemoglobin). 반자성으로 자기 모멘트가 굉장히 작음
○ deoxyHb : 탈산소화된 헤모글로빈(deoxygenated hemoglobin). 스핀 4의 상자성으로 자기 모멘트가 큼
○ 단계 3. magnetic susceptibility 감소 → T2* 증가
○ 단계 4. T2*-weighted image의 신호 강도인 I xy 가 증가 → 이미지가 밝아짐
② 일차 운동 피질(Primary Motor Cortex)의 fMRI
Figure. 8. 우측 손 운동을 통해 얻은 fMRI
좌뇌가 활성화돼 있다.
③ 운동성 언어중추(Motor Speech Area)의 fMRI
Figure. 9. 단어 말하기 과제를 통해 얻은 fMRI
좌뇌가 활성화돼 있다.
④ 감각성 언어중추(Sensory Speech Area)의 fMRI
Figure. 10. 언어 듣기 과제를 통해 얻은 fMRI
좌뇌가 활성화돼 있다.
⑤ 시각 피질(Visual Cortex)의 fMRI
Figure. 11. 양안의 시각 자극을 통해 얻은 fMRI
⑻ 뇌자도(MEG, Magnetoencephalography)
① 뇌에서 발생한 전기에 의해 형성된 자기를 감지하여 MRI 위에 영상화한 것
② 전기장은 두개골과 두파를 지나오면서, 파형이 방해를 받아 전기가 발생한 위치를 정확히 알기 힘듦
③ 자기장은 방해를 더 받기 때문에 뇌의 활성 부위를 정확히 알 수 있음, 즉 공간해상도 매우 향상
⑼ 확산텐서영상(DTI, Diffusion Tensor Imaging)
① MRI에서 물 분자의 확산 정도를 이용해서 백질 경로의 위치와 방향을 알아내는 것
② 빽빽하게 밀집된 공간에서 신경섬유의 주행 방향으로는 물 분자의 확산운동이 잘 일어나고, 수직 방향으로는 확산운동이 잘 일어나지 않음을 이용한 방법
③ 실제 해부를 하지 않고 신경섬유의 방향을 알 수 있는 유일한 방법
④ 트랙토그래피(Tractography) : DTI를 통해 얻어진 데이터로 신경경로를 시각화해 나타내는 기술
⑤ 물의 확산 방향을 최소 6가지 방향으로 추적할 수 있음
⑥ 1.5 T 이상의 자기장으로 충분함
⑦ 빠른 MR 신호 획득을 위해 echo-planar imaging을 함
⑽ 근적외선 분광법(NIRS; Near Infrared Spectroscopy) : Beer-Lambert 법칙 이용
4. 뇌기능 제어
⑴ 침습성 도구 : 뇌에 부담을 줌
① EpCS
② 뇌심부자극술(DBS; Deep Brain Stimulation)
③ 초음파
④ 기실촬영(Penumoencephalogram) : 뇌실에 공기를 주입하여 뇌를 촬영하는 기법
⑵ 비침습성 도구 : 제한적인 정보
① 경구개 자기 자극술(TMS; Transcranial Magnetic Stimulation)
② tDCS
⑶ 광 유전학(Optogenetics)
⑷ BBI(Brain-to-Brain Interface)
5. 뇌공학 사례
⑴ 거짓말 탐지
Figure. 12. MRI를 활용한 거짓말 탐지기, San Diego, USA
⑵ 꿈 해독
Figure. 13. 꿈 해독
입력: 2014.02.13 18:22
수정: 2018.09.19 00:01
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