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[주간조선] {腦과학시대} 대한민국 新동력 腦과학 2 작성자: 관리자 조회수: 174529 작성일: 2009/08/14 뇌 들여다보는 기술 어디까지 왔나 7테슬라 MRI 이용, 혈관·척수까지 한눈에 내비게이터 역할 ‘腦지도’ 나왔다 인구가 고령화됨에 따라 중풍이나 치매 같은 노인성 뇌질환이 중요한 사회적 문제로 부각되고 있다. 뇌질환의 직접적 원인은 당연히 뇌 속에 있기 때문에, 뇌 속을 자세히 들여다볼 수 있다면 뇌질환을 진단하고 치료하는 것이 훨씬 쉬워질 것이다. 그러나 인류가 신체를 훼손시키지 않고 자신의 몸속을 관찰하기 시작한 것은 1895년 뢴트겐이 X선을 발견하면서부터로, 이제 100년이 조금 더 지났을 뿐이다. 뇌의 경우에는 X선을 활용한다 하더라도 머리뼈만 관찰할 수 있지 정작 뇌 자체는 자세히 들여다볼 수가 없어 뇌질환을 진단하는 데 크게 도움이 되지 못했다. 몸을 훼손시키지 않고 뇌를 본격적으로 들여다볼 수 있게 된 것은 1980년 자기공명영상장치(magnetic resonance imagingㆍMRI)가 구현되면서부터다. 그 이후 인류는 뇌의 구조물을 훨씬 더 자세하게 관찰할 수 있게 되었고, 더 정확한 진단을 할 수 있게 되었다. 자기공명영상장치는 물체에 있는 수소분자를 한 방향으로 정렬시켜 에너지를 가한 후 반사되어 나오는 1차원 신호를 조합해서 입체영상을 구성하는 장치이다. 이것은 기존의 X선이나 컴퓨터 단층촬영(computed tomographyㆍCT)과는 전혀 다른 기술이다. 자기공명영상 기술이 개발된 이후로도 많은 과학자들이 이 기술을 계속 발전시켰다. 자기공명영상 기술 연구는 크게 영상 기법 개발과 영상을 선명하게 하는 기술 개발로 나눌 수 있다. X선이나 컴퓨터 단층 촬영장치와는 달리 자기공명영상장치는 다양한 영상기법을 적용해 촬영할 수 있다. 새로운 영상기법의 개발은 뇌를 다양한 시각에서 관찰하는 것을 가능하게 하였다. 이런 기술들에 힘입어 지금은 자기공명영상장치를 통해서 뇌의 구조물을 다양한 대조도(對照度ㆍ사진에서 가장 어두운 부분과 가장 밝은 부분의 밝기 비율)로 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 뇌 혈관이나 뇌 신경다발도 볼 수 있게 되었다. 또 뇌 신경의 활동도 간접적으로 관찰할 수 있게 되었다. 자기공명영상장치의 영상기법 연구를 통해 뇌의 다양한 측면을 관찰할 수는 있게 되었지만, 뇌 사진의 선명도 자체를 개선하는 데는 한계가 있다. 뇌 사진의 선명도를 근본적으로 향상시키기 위해서는 소프트웨어적 개선만으로는 불가능하고 자기공명영상장치의 하드웨어가 개선되어야 한다. 특히 자기공명영상장치의 주자장 장치는 선명도를 결정하는 가장 중요한 요소다. 주자장 장치는 자기공명영상장비의 대부분을 차지하며 물체에 있는 수소분자를 한 방향으로 정렬시키는 역할을 한다. 수소분자가 정렬이 많이 될수록 자기공명영상에 반영되는 신호가 많아진다. 따라서 영상의 질은 향상된다.   실제로 <그림 1>에서와 같이 자기공명영상장치의 발전은 주자장 세기의 증가와 비례한다. 처음 자기공명영상장치가 개발될 당시만 하더라도 주자장의 세기는 1테슬라(teslaㆍ T)도 되지 않았다. 1테슬라는 지구자장의 5만배 정도에 해당하는 자장의 단위이다. 그러나 자기공명영상장치의 주자장 세기만 크다고 좋은 뇌 사진을 얻을 수 있는 것은 아니다. 자기공명영상장치의 주자장과 함께 뇌 사진을 선명하게 하기 위한 또 다른 중요 요소는 자기공명영상장치용 헤드안테나 제작기술이다. 헤드안테나는 환자가 뇌 사진을 찍으려고 자기공명영상장치 안에 들어갈 때 착용하는 것으로 머리에 에너지를 주고 뇌를 영상화 하는 데 필요한 신호를 받는 장치이다. 헤드안테나는 다양한 원리와 형태로 제작할 수 있으며 장치를 얼마나 최적으로 설계하느냐는 뇌 사진을 얼마나 선명하게 하느냐에 직접적인 영향을 미친다. 그래서 자기공명영상장치의 주자장 세기가 크다 하더라도 주자장 환경에 맞는 적합한 헤드안테나를 제작하는 기술이 없다면 제대로 된 뇌 사진을 얻을 수가 없게 된다. ▲ 그림 2 - 기존의 1.5테슬라 자기공명영상장치로 얻은 뇌 사진(왼쪽)과 뇌과학연구소의 7테슬라 초고자장 자기공명영상장치로 얻은 뇌 사진 선명도 비교(뇌간 부분). 가천의과학대학교 뇌과학연구소(Neuroscience Research InstituteㆍNRI)는 고해상도 뇌 사진을 얻기 위해 필요한 초고자장 자기공명영상장치와 이에 적합한 헤드안테나 제작 기술을 같이 보유하고 있는 전 세계 몇 안 되는 연구소이다. 가천의과학대학교 뇌과학연구소는 2005년에 독일의 지멘스(Siemens)사로부터 주자장의 세기가 7테슬라인 초고자장 자기공명영상장치를 도입한 후, 그것에 적합한 헤드안테나를 자체 개발해서 세계 최초로 초고해상도 뇌 사진을 얻는 데 성공하였다. <그림 2>는 뇌간 부분을 찍은 것으로, 기존의 병원에서 얻을 수 있는 영상과 가천의과학대학교 뇌과학연구소의 초고자장 자기공명영상장치로 얻은 영상을 비교한 것이다. <그림 2>에서 뇌 사진의 선명도가 기존의 사진에 비해 획기적으로 개선되었음을 확인할 수 있다. 일반적으로 병원에서는 1.5테슬라나 3.0테슬라 자기공명영상장치가 널리 사용되고 있다. 가천의과학대학교 뇌과학연구소에서와 같이 7테슬라 자기공명영상장치를 보유하고 있는 곳은 전세계적으로 20여곳에 불과하다. 특히 가천의과학대학교 뇌과학연구소처럼 자체적인 헤드안테나 제작 기술을 바탕으로 월등히 향상된 뇌 사진을 얻을 수 있는 곳은 손꼽을 정도다. <그림 3>은 가천의과학대학교 뇌과학연구소에서 자체 개발한 SENSE(sensitivity encoding) 형태의 헤드안테나들이다. ▲ 그림 3 - 뇌과학연구소에서 자체 개발한 채널별 헤드 안테나. <그림 2>와 같은 초고해상도 뇌 사진은 기존의 병원에서 얻은 뇌 사진에서는 볼 수 없었던 많은 것을 보여준다. 때문에 자기공명영상의 원래 취지인 병의 진단과 치료에 획기적 개선이 가능해진다. 뇌 질환은 뇌 부위의 모양과 크기나 기타 특성과 많은 상관성을 가진다. 그렇기 때문에 뇌 부위에 대한 해부학적인 정보를 정밀하게 얻을수록 더 정확하게 뇌 질환을 진단할 수 있고, 좀 더 효과적으로 뇌 질환을 치료할 수 있다. <그림 4>는 해마의 초고해상도 영상을 기존의 뇌 사진과 비교한 것이다. 해마, 천공 동맥, 흑질 등 세 부분 모두 뇌 질환과 직접적으로 관련돼 뇌 질환 진단에 중요한 영역이다. 3대 뇌 질환으로 자주 인용되고 있는 치매, 중풍, 파킨슨병도 각각 해마, 천공동맥, 흑질 부분이 손상되어서 발생하는 뇌 질환들이다. 그림에서와 같이 초고해상도 자기공명영상은 기존 뇌 사진에 비해 뇌 속의 세부 정보를 훨씬 많이 보여주기 때문에 이런 뇌 질환을 정확히 진단하는 데 중요한 역할을 할 수가 있다. 또한 초고해상도 뇌 사진은 새로운 뇌 지도를 만드는 데도 사용될 수 있다. 뇌 지도는 뇌 사진 위에 피질, 혈관, 척수 같은 뇌의 구성 요소들의 위치를 표시한 그림이다. 낯선 곳을 찾아갈 때 도로 지도를 참고하듯 뇌 수술을 하거나 뇌 질환을 진단하거나 혹은 뇌 기능을 연구할 때 뇌 지도는 좋은 길라잡이가 될 수 있다. ▲ 그림 4 - 기존의 1.5테슬라 자기공명영상장치로 얻은 뇌 사진과 뇌과학연구소의 7테슬라 초고자장 자기공명영상장치로 얻은 뇌 사진 비교(해마 부분). 가천의과학대학교 뇌과학연구소에서는 7테슬라 자기공명영상장치로 얻은 초고해상도 뇌 사진을 기반으로 세계에서 가장 선명한 새로운 뇌 지도를 완성하였다. 이 뇌 지도책은 세계적 출판사인 독일 스프링거사를 통해 책으로 출판됐다. <그림 5>는 뇌 지도책으로, 자기공명영상장치로 얻은 살아있는 사람의 뇌 사진과 광학사진으로 얻은 죽은 사람의 뇌 사진을 같은 위치에서 비교해 관찰할 수 있게 구성했다. 이 책이 전세계 의료인들에게 뇌 사진을 판독하거나 뇌를 공부하는 데 많은 도움을 줄 것으로 기대된다. 가천의과학대학교 뇌과학연구소는 세계 최고 수준의 뇌 사진 영상 기술을 가지고 있지만 아직 영상이 최적화된 것은 아니기 때문에 영상의 질을 향상시키기 위한 연구를 계속 진행하고 있다. 그중에도 자기공명영상의 비균일성은 가장 큰 문제이다. 뇌과학연구소의 초고해상도 자기공명영상은 영상의 밝기가 균일하지 않아 뇌 부위에 따라서 아주 어둡게 나타나거나 아주 밝게 나타나는 영역이 존재한다. 이는 주자장의 세기가 클 때 두드러지는 문제점이기도 하다. 또한 자기공명영상의 감도를 좀 더 향상시키기 위한 연구도 진행하고 있다. 이것은 영상의 질과 직접적으로 연결이 된다. 이런 문제들을 해결하기 위해서 뇌과학연구소에서는 헤드안테나 제작기술과 뇌 사진 영상 방법의 개선, 또는 얻은 영상을 교정하는 방법 등을 연구하고 있다. ▲ 그림 5 - 뇌과학연구소에서 완성한 새로운 뇌 지도책. 초고해상도 뇌 영상 분야에서 또 다른 중요한 과제는 차세대 자기공명영상기술을 확보하는 것이다. 뇌과학연구소에서 지난 2005년 세계에서 5번째로 7테슬라 자기공명영상장치를 확보한 이래 지금까지 전세계적으로 많은 연구소에서 같은 장비를 설치해 왔고 지금은 전 세계적으로 20여군데가 이 장비를 보유하게 되었다. 일본과 프랑스에서는 이미 11.7테슬라 자기공명영상장치를 보유할 계획을 세웠고 2011년쯤 설치를 마무리할 예정이다. 지금 우리가 보유하고 있는 세계 최고의 뇌 영상 기술력을 유지하기 위해서는 차세대 장비를 도입해 새로운 기술을 계속 확보해 나가야 한다. 일본과 프랑스의 11.7테슬라 장비를 능가하는 14테슬라 자기공명영상장치의 개발과 영상화가 중요한 연구 과제로 부상한 것도 이런 이유에서다. 이 과제를 계획하고 수행하는 데는 많은 어려움이 있을 것으로 예상된다. 우선 14테슬라 자기공명영상 장치는 관련 학계에선 아직 고려 대상도 아니다. 또한앞서 언급한 바와 같이 자기공명영상장치의 주자장 세기만 크다고 선명한 뇌 사진을 얻을 수 있는 것도 아니다. 주자장의 세기와 함께 헤드안테나를 최적화시키는 기술이 필요한데 이는 자기공명영상장치의 주자장 세기가 커지는 만큼 점점 더 개발이 어려워진다. 경우에 따라서는 전혀 다른 접근이 필요할 수도 있다. 그럼에도 불구하고 14테슬라 자기공명영상장치를 개발해 영상을 성공적으로 얻게 된다면, 기존의 1.5테슬라와 7테슬라 장치에서 보던 뇌 영상과는 비교할 수 없을 정도로 발전한 영상을 기대할 수 있을 것이다. 여기서 발생되는 부가가치 또한 엄청날 것으로 예상되며, 우리나라는 뇌 영상 분야에서 세계 최고의 기술력과 첨단 원천 기술들을 확보 유지해나갈 수 있게 된다. 아직 일반 병원에서는 앞에서 본 것과 같은 초고해상도 뇌 사진을 찍어볼 수 없다. 그러나 <그림 1>에서의 추이로 볼 때 앞으로 5년 후쯤이면 일반 병원에서도 초고해상도 뇌 사진을 만나볼 수 있을지 모르겠다. 동시에 그때쯤 우리 연구원들이 14테슬라 자기공명영상장비를 기반으로 연구하는 모습도 볼 수 있었으면 한다. / 서일호 차장대우 ihseo@chosun.com   조장희ㆍ김영보 가천의과학대 뇌과학연구소

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