Scientists Shine a Laser Through a Human Head
It's the first step toward an inexpensive new medical imager
For the most part, anyone who wants to see what’s going on inside someone else’s brain has to make a tradeoff when it comes to which tools to use. The electroencephalograph (EEG) is cheap and portable, but can’t read much past the outer layers of the brain, while the alternative, functional magnetic resonance imaging (fMRI), is expensive and the size of a room, but can go deeper.
과학자들이 인간의 머리에 레이저를 비춘다
저렴한 새로운 의료 영상 장치를 향한 첫 걸음입니다
* fMRI
기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging)의 약자로, 뇌의 활동을 측정하는 영상 기술입니다. 혈류량 변화를 감지하여 뇌의 특정 영역이 활성화될 때 나타나는 반응을 영상으로 보여줍니다.
대부분의 경우, 다른 사람의 뇌 내부에서 무슨 일이 일어나고 있는지 알고 싶은 사람은 어떤 도구를 사용할지 결정할 수밖에 없습니다. 뇌파 검사(EEG) 는 저렴하고 휴대하기 편리하지만 뇌의 바깥층까지 읽을 수는 없습니다. 반면, 대안으로 사용 되는 기능적 자기공명영상(fMRI) 은 비싸고 방 하나 크기만 하지만 더 깊이까지 볼 수 있습니다.
이제 글래스고의 한 연구팀은 EEG 처럼 저렴하고 휴대하기 편한 장비를 사용하여 언젠가 fMRI 수준의 심도를 제공할 수 있는 메커니즘을 개발했습니다 . 이 기술은 이전에는 불가능해 보였던 것, 즉 사람의 머리 전체에 빛을 비추는 기술을 활용합니다.
분명히 인간의 머리는 많은 빛을 통과시키지 않습니다. 수년 동안 광학 뇌 영상이라고 불리는 빛을 사용하는 뇌 영상 기술은 연구 및 임상에서 널리 사용되는 데 있어 이러한 장벽에 부딪혀 왔습니다. 광학 뇌 영상은 주로 근적외선을 사용하는데 , 인체 조직은 이 근적외선에 비교적 투명합니다. 그러나 인간의 머리는 이러한 파장조차 차단하는 데 매우 능숙하여 글래스고 연구 그룹은 모든 근적외선 광자의 10억분의 1만이 성인 인간의 머리 전체를 통과하여 한쪽에서 다른 쪽으로 이동한다는 것을 발견했습니다. 이러한 통계는 많은 이가 글래스고 대학교의 다니엘레 파치오 연구팀이 최근 이를 해낼 때까지 뇌 심부를 통해 빛을 전달하는 것은 불가능하다고 결론내리게 했습니다.
—잭 래드포드, 글래스고 대학교
"3cm에서 5cm 정도 간격으로 레이저 검출기를 배치하는 뇌 활동 모니터링 광학 기술은 많습니다. 하지만 아무도 머리 전체를 뚫고 들어가려고 시도한 적은 없습니다."라고 Neurophotonics 에 해당 연구를 기술한 연구의 주저자인 잭 래드포드는 설명합니다. 연구팀은 두꺼운 광산란 물질로 실험을 시작하여, 빛이 사람의 머리 너비만큼 물질을 통과하여 광 검출기에 도달할 수 있음을 발견했습니다. 그런 다음 , 지원자의 머리를 통한 근적외선 투과 의 한계를 시험하는 실험을 설계했습니다 .
연구팀은 1.2와트 레이저에서 800나노미터 파장의 빛을 방출하는 수백만 개의 광자가 머리 한쪽을 통과하여 반대쪽 검출기에 도달하는 데 걸리는 시간을 측정했습니다. 각 시간은 개별 광자가 피험자의 머리를 통과할 수 있는 가능한 경로를 나타냈습니다. 또한 광자의 이동 경로를 시뮬레이션하고, 실험 시간과 시뮬레이션 시간 분포를 구축했습니다. 분포가 매우 유사했기 때문에, 단순히 방을 통과하는 무작위 광자를 감지하는 것이 아니라는 결론을 내릴 수 있었습니다. 하지만 순탄치만은 않았습니다.
"논문에 없는 건 제대로 작동하지 않은 5년간의 실험입니다."라고 Radford는 말합니다. 팀이 실험에서 한 주요 개선 사항 중 하나는 배경 잡음을 줄이는 것이었습니다. 매우 적은 광자가 완전히 통과하기 때문에 실제로 머리를 통과한 광자보다 방 안에서 튀어 오르는 광자가 검출기에 닿을 가능성이 더 큽니다. 그들은 좋은 결과를 보기 전에 피험자의 머리에 검은색 천을 덮고, 전체 실험을 검은색 상자에서 수행하고, 피험자를 침낭처럼 배열하여 넣고, 그 위에 검은색 덮개를 다시 씌우는 등의 조정을 했습니다. 또한 다양한 레이저를 시도하고 , 빔 크기와 파장을 조정하고, 신호를 개선하기 위한 새로운 설정을 발명하는 데 시간을 보냈습니다. 이 중 일부는 자전거 헬멧과 턱끈을 포함했습니다.
"때로는 '아, 어쩌면 너무 오랫동안 신호를 못 봤으니까 이게 불가능한 건가' 하는 생각에 빠지기도 했습니다."라고 래드포드는 말합니다. "하지만 뭔가를 할 수 있을 거라는 어떤 기대는 항상 있었습니다. 그것이 연구 프로젝트의 추진력을 유지시켜 준 원동력이었습니다."
이제 뇌 심부를 통과한 광자를 측정할 수 있는 가능성이 열리면서 더 저렴하고, 더 쉽게 접근할 수 있고, 더 깊이 침투하는 뇌 영상 기술에 대한 새로운 가능성이 열린다고 그는 제안합니다.
더 깊은 광학적 뇌 이미징을 향해
"지금까지 적용된 기술은 대부분 뇌 표면에만 집중되어 있습니다. 현재 기술로는 바로 그런 일을 할 수 있죠."라고 글래스고 연구에는 참여하지 않은 듀크 대학교 생체의공학과 로크 호스트마이어 교수는 말합니다 . "이 연구는 이 광학 기술이 더 깊은 영역에 도달할 수 있는지 여부를 평가하고 확립하는 데 도움이 됩니다."
래드포드는 미래의 심부 투과 광학 뇌 영상 기술을 임상 및 의료 환경, 특히 뇌 건강 정량화에 적용할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다. 인지 기능 저하, 신경 퇴행성 질환, 브레인 포그, 뇌진탕과 같이 광범위하고 정량화하기 어려운 질환의 경우, 병원에서는 일반적으로 설문지를 사용하여 뇌 기능을 평가합니다. 하지만 래드포드는 "뇌 건강 상태와 시간 경과에 따른 변화를 보여주는 실질적인 바이오마커는 없다"고 말합니다. 뇌 심부까지 도달할 수 있는 광학 영상 도구는 정량화하기 어려운 질환을 식별하는 데 더욱 폭넓게 접근 가능하고 결정론적인 방법을 제공할 수 있습니다.
래드포드가 관심을 두고 있는 또 다른 분야는 뇌졸중의 신속한 진단입니다. 심각한 신경 손상이 발생하기 전에 뇌졸중을 정확하게 진단하고 치료하려면 현재 몇 시간 내에 CT 스캔 과 MRI 검사를 통해 뇌졸중 의 정확한 원인을 파악하는 것이 중요합니다 . 하지만 이러한 검사는 비용이 많이 들기 때문에 접근성이 떨어집니다. 하지만 원인을 알지 못한 채 뇌졸중 치료를 처방하는 것은 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다. 광학 뇌 영상 기술을 사용하는 병상 뇌 스캐너는 뇌졸중의 원인을 빠르고 저렴하게 파악하여 신속한 진단과 치료로 이어질 수 있습니다.
래드포드는 값비싸고 더 깊이 침투하는 영상 장비와 더 저렴하지만 얕은 센서 사이의 어려운 상충 관계가 깨지기 시작했다는 사실에 고무되어 있습니다. 그는 의사와 연구자들이 "MRI 사용이 불가능하다고 항상 생각해 왔기 때문에 [뇌 영상]을 사용할 수 있다는 사실을 깨닫지 못하고 있습니다. 이제 [MRI] 사용이 더 이상 불가능해졌으니, 임상의들과 이야기를 나누고 진단 과 치료에 도움이 될 수 있는 다양한 잠재적 용도를 모색하는 것은 매우 흥미로운 일입니다."라고 말합니다.
그러나 이 기술이 임상 환경에서 성공하기 위해서는 아직 극복해야 할 장애물들이 있습니다. 첫째, 이 연구 자체는 뇌 심부의 어떤 부분도 영상화하지 않고 광자만 전송했습니다. 호스트마이어는 "이 기술은 아직 갈 길이 멀고 초기 단계입니다."라고 말합니다. 또 다른 장애물은 피험자마다 두부 해부학적 구조가 다르다는 것입니다. 실험에 참여한 8명의 지원자 중 래드포드 연구팀은 피부가 밝고 머리카락이 없는 참가자의 신호만 감지할 수 있었습니다.
호스트마이어는 "머리 전체를 훑어보면 너무 어두운 조명 수준이어서 피부색이나 두개골 두께, 헤어스타일에 따라 감지할 수 있느냐 없느냐가 달라질 수 있습니다."라고 말합니다.
래드포드는 레이저의 출력과 빔 크기를 변경함으로써 인체 해부학적 차이를 극복할 방법이 있을 수 있다고 생각하지만, 이러한 변화가 공간 해상도에 문제를 야기할 수 있다는 점을 인정합니다. 그는 "제 생각에는 아직 해결되지 않은 문제입니다."라고 말합니다.
이러한 어려움에도 불구하고, 래드포드는 이 연구의 목적이 단지 인간의 머리 전체를 통해 광자를 전달하는 것이 물리적으로 가능하다는 것을 보여주는 것이라고 강조합니다. "이번 연구의 핵심은 이전에는 불가능하다고 여겨졌던 것이 실제로 가능하다는 것을 보여주는 것입니다. 그리고 바라건대… 이것이 차세대 이 장치 개발에 영감을 줄 수 있기를 바랍니다."라고 그는 말합니다.
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