Transcript 단위과제
1 단위과제 고차 뇌기능 측정 및 분석 연구 박현욱 한국과학기술원 전기및전자공학전공 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 2 3 연구 체계 (조직) 고차 뇌기능 측정 시스템 그룹 fMRI, MEG 정관진 Visualization 박현욱 뇌기능 그룹 Cross-modal 강은주 가소성/재조직 김연희 사업단 연계 및 체계 사업단 뇌기능팀 행동 종합 청각 설계 시각 전문 인지 System Support (fMRI, MEG, EEG, Optical) 종합: cross-modality 전문: 가소성 4 5 뇌기능 측정 시스템 fMRI 및 MEG 공동연구기관 정관진 한국과학기술원 뇌과학연구센타 연구원: 책(3), 선(1), 원(4) 6 fMRI Center 설립 동향 대륙별 fMRI Center 현황 1% 0% 7% 5% 2% 51% 34% North America Europe South America Asia Australia Africa Middel East 국가별 fMRI Center 현황 4 1 21 1 1 01 4 4 7 2 1 39 13 Canada Euro Swtzerland Taiwan 2 2 U.S. Germany UK Australia 1 1Mexico Italy Brazil Africa Belgium Netherland Korea Israel Austria Norway Japan 외국 예: MGH NMR Center Project 1 - Intersubject Averaging and Registration Project 2 - Improved Analysis of fMRI Data Emery Brown (Principal Investigator), Anders Dale (Principal Investigator), Bruce Fischl, Doug Project 3 - Multimodality Brain Imaging using MRI, EEG, MEG, and Optical data Robert Weisskoff, Anders Dale, Patrick Purdon Project 4 - Functional Diffuse Optical Tomography of the Brain Jack Belliveau (Principal Investigator), Bruce Rosen (Principal Investigator), Giorgio Bonmassar, Denis Schwartz, Eric Halgren David Boas, Tom Gaudette 7 8 System Setup 설치완료: 7월 말 9 운영 방안 확립 Investigators Research proposal Research committee Review fMRI 지원/연구 인력 • 연구교수 • 석박사 학생 • 연구원 (1) • 방사선사 (1) Schedule Train Support 10 2단계 연도별 추진 계획 Year System 1st (2001) Setup Real-time fMRI 2nd (2002) Physiology monitor Real-time fMRI 3rd (2003) Multinuclear Real-time fMRI Surface RF coil Imaging Processing Visualization Standardization Multimodality EPI ASL (FAIR) 3D imaging Spiral Advanced ASL Retino-topic Spectroscopy Continuous ASL Tono-topic Brainvoyger, SPM Event related Surface imaging ICA Coregistration 3D surface New algorithms Anatomical Cortex surface Template(Surface, anatomical) Brain map Advanced surface SW package DB DB accumulation MEG EEG (on site) Optical imaging (on site) 11 Real-time fMRI • 실험이 쓸만큼 되었나를 바로 확인할 수 있다. Magnet IFIS Console NMR signal Stimulation Images MRI data Super computing MRI Console Spectrometer 12 Event-related fMRI Block rest Stimulation time: sec active Event-related rest Stimulation time: msec active • Reduced habituation and anticipation • Temporal resolution 개선 (기존 3초 • Flexibility of a stimulus design • Comparison with ERP 1초) 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 13 14 뇌자도 기술의 중요성 뇌자도 발생원리 Windows on the brain Invasiveness MEG None Head surface EEG Electrode Brain Cellular current Feedback current Magnetic field Spatial resolution (mm) SQUID 10 High EEG 8 SPECT 6 PET 4 MEG fMRI 2 0 MRI CT 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 Temporal resolution (s) Blood flow (fMRI, PET) 뉴런의 전기적 활동 뇌기능 유발 자기장 발생 MEG : 비접촉비파괴적 높은 시간분해능 전기생리학적 변화측정 104 연구 목표, 내용, 추진 계획 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 15 16 연구내용 - (f)MRI와 결합 : 뇌활동부위 표시 MRI와 결합 (x, y, z, Q, ) 머리좌표계와 MRI의 결합 MEG 측정 전류원 계산 MRI에 표시 동적 표시기술 t4 뇌활동부위의 시간·공간적인 t2 이동과정 지도화 기술 ... t3 t1 17 기대 성과 MEG 결과 MEG와 fMRI의 결합 200350 ms t 1 ms fMRI 결과 230600 ms 400780 ms 100 ms 150400 ms 450720 ms 시간공간해상도 향상 정밀 뇌기능 측정기술확보 18 뇌기능 가시화 및 통계학적 특성 획득 주관연구기관 박현욱 한국과학기술원 전자전산학과 연구원: 책(1), 원(5) Cortical Surface Visualization • Flattening • Intersubject normalization Talairach Surface 19 Intersubject Normalization 20 21 뇌기능 지도 구현 1차 년도 2차 년도 Segmentation Registration /Template Surface rendering Cortex surface visualization 3차 년도 More samples 방법이용 Intersubject normalization 뇌기능지도 기대 성과 • Talairach space 및 Cortex surface 상에 병변 표현 • 통계적 특성의 데이터 베이스화 • Graphic하게 뇌의 구조 및 기능의 표현 22 한국인 표준뇌 표준뇌 Anatomical template Cortex template Functional map 한국인 Template • Normalization • Inter-subject averaging 한국인 독특 뇌기능 • • • • • 정서 언어 문자 후각 미각 23 24 교차 양상 상호작용 (cross-modal integration) 공동연구기관 강은주 서울의대 연구원: 원(7) 25 Cross-modal integration 통제 이해 주의 청각 기억 시각 26 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 V5/MT Post Sup Temp G 0.43 0.50 0.40 Visual 0.40 -0.35 Auditory Ant Sup Temp G 0.50 -0.25 27 연구 목표, 내용, 추진 계획 기존 연구 결과 fMRI, PET, 환자연구 Cross- modal Interaction fMRI 측정 1년차 시각, 청각 자극 (언어처리, 기억형성) 정상인의 기능 뇌지도 cross-modal plasticity fMRI /PET 측정 fMRI 측정 시공간, 언어자극 환자 vs. 정상인 Network 검증 2년차 Connectivity분석 rTMS 시각, 청각 자극 (언어처리, 기억형성) SEM 분석 3년차 Cross Modal Interaction Network Model rTMS (repetitive Transcranial Magnetic Stimulation) •rTMS장비와 Double 70mm Coil. 28 기대 성과 29 1. 청각/시각 정보 처리의 두뇌 기능 지도 2. Cross-modal정보처리 이해 Parietal 0.20 Frontal 0.30 3. 수학적 network 모델 제시 0. 30 0. 35 0. 10 V5/MT Post Sup Temp G 0.43 0.40 0.40 Auditory Ant Sup Temp G 0.50 -0.35 -0.25 0.50 Visual 30 신경망 가소성 및 재조직 기능 연구 (Neuronal Plasticity and Reorganization) 공동연구기관 김연희 전북대학교 의과대학 재활의학과 연구원: 선임(2), 원(4) 31 연구 분야 : 뇌 가소성 및 재조직 운동신경망 감각신경망 주의신경망 고위뇌신경망 언어신경망 기억신경망 32 Examples of Hierarchical Architectures of Connectivity in Attentional Network 0.2 0.1 0.14 PP PP PP V5 V1 = V1xPP PFC V5 V1 V5 LGN 33 현재의 연구 동향 (예)- 국외 연구 ⊙ Karni et. al.; 1995; Nature Examples of Neuronal Plasticity in Human Motor Cortex: Expansion of Cortical Representation of Fingers after Training Control Trained 34 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) 35 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 Midsagittal line Right Left 3 Anterior 2 1 Cz 0 -1 -2 -3 9 7 5 3 Rt. APB muscle 1 -1 -3 -5 -7 -9cm Interaural line Posterior Lt. APB muscle 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) 36 연구 목표, 내용, 추진 계획 뇌 기능 변화에 따른 신경망 조직 변화 규명 1차년도 운동장애 주의력장애 뇌 신경망의 가소성 및 재조직 양상 규명 운동 신경망 2차년도 훈련 감각 신경망 고차뇌기능장애 주의/언어/기억 TMS, MEG 등 노화 학습 각종 뇌기 능 촉진법 뇌 신경망 가소성 및 재조직 촉진 기전 규명 fMRI, TMS, MEG 등 Multimodality 통합 3차년도 뇌 신경망 가소성 및 재조직 기전 규명 신경생물학적 가소성 기전 37 기대 성과 ⊙ 뇌 손상, 퇴행성 뇌 질환, 노화와 관련된 뇌기능 장애 에서 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 개발 에 활용 과제 예산 기관 책임자 과제비 (천원) KAIST 정관진 293,000 KAIST 박현욱 73,000 서울대 강은주 35,000 전북대 김연희 35,000 합계 436,000 38 결 론 Invasiveness Spatial resolution (mm) None 10 EEG High Optical imaging 8 6 PET MEG 4 fMRI 2 0 10-3 10-2 10-1 1 10 102 103 104 Temporal resolution (s) 뇌기능의 수학적 모델을 수립 39 40 협동 체계 MEG 표준연구원 뇌신경 생물학 사업단 국내 대학 및 병원 뇌신경 정보학 사업단 BSRC, fMRI Varian co. Varian sites Riken, Minnesota, Wisconsin 성균관의대