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Neurophotonics: 신경광학

 

신경광학(Neurophotonics)이란

신경광학이란 의광학(Biomedical Optics)에서 새롭게 주목받고 있는 최신 분야로서, 광학 기술을 신경과학 및 신경공학 분야에 적용하는 연구주제이다. 일반적으로 신경광학의 연구 범위는 신경과학 연구를 위한 광학 현미경, 빛을 이용한 신경 자극(Optogenetics 등)을 포함하지만 가장 활발한 연구가 진행되고 있는 분야는 광학을 이용한 신경활동의 영상화 기술 및 뇌 기능의 측정 기술이다. 한양대학교 계산신경공학연구실에서는 광학을 이용한 뇌기능 측정 기술 중 하나인 근적외선분광(Near Infra-red Spectroscopy: NIRS)을 이용하여 뇌기능을 연구하는 새로운 방법론의 개발과 NIRS를 이용한 뇌-컴퓨터 접속, 뉴로마케팅, 뇌기능 매핑 연구를 활발히 수행하고 있다. 아래에 몇 가지 대표적인 연구 사례들을 제시하였다.

 

 

기능적 근적외선 분광(fNIRS)의 새로운 분석 방법론 개발

한양대학교 계산신경공학 연구실에서는 기능적 근적외선분광(functional NIRS: fNIRS)을 이용하여 기능적 인과성과 연결성을 분석하기 위한 새로운 방법론을 개발하였다 (Im et al., Optics Exp., 2010; Lee et al., Optics Exp., 2012). 아래 그림은 쥐를 대상으로 한 기능적 인과성 측정 실험 장면 및 일부 분석 결과를 보여주고 있다. 7마리의 쥐(rat)의 운동중추를 마취시킨 상태에서 수염(whisker)을 자극할 때, 일관되게 뇌의 체성 중추에서 운동 중추로 방향성을 가진 연결성이 형성됨을 확인할 수 있었으며 이는 fNIRS에서도 기능적 인과성의 측정이 가능함을 시사하는 결과로서 기능적 인과성 분석의 활용 범위를 확장시겼다는 점에서 중요한 학술적 의의를 가진다. 이 연구의 결과로 현재는 많은 fNIRS 연구에서 기능적 연결성 및 인과성 분석이 활발히 사용되고 있으며 2018년 연구(Shin et al., Int. J. Neural Syst., 2018)에서는 fNIRS의 기능적 연결성 분석을 인체 대상 실험에 적용하여 개인의 뇌-컴퓨터 인터페이스의 적합도를 사전에 스크리닝하는 방법을 새롭게 제안하기도 했다.

nirs1.jpg nirs2.jpg

<fNIRS를 이용한 대뇌 피질의 기능적 인과성 분석: 동물실험 장면(좌) 및 분석 결과(우)>

 

 

근적외선 분광(NIRS)과 경두개직류자극의 동시 측정 기술 개발

한양대 계산신경공학연구실에서는 2014년 fNIRS를 이용하여 쥐의 뇌에 경두개직류자극(tDCS)을 가하는 동안의 뇌 혈류 변화를 세계 최초로 연속적으로 관찰한 연구 결과를 발표하였다 (Han et al., Biomed. Optics Exp., 2014). 아래 그림은 당시의 실험 환경을 보여주고 있으며, 이 연구를 통해 각 개체별 뇌혈류의 증가율과 감소율은 역의 상관도를 가진다는 사실을 최초로 발견하였다. 이 연구는 개체 간의 고유한 차이를 고려한 개인화된 자극 파라미터 결정 방법을 제안하였다는 점에서 큰 학술적 의의를 가진다. 현재 본 연구실은 이 연구 결과를 바탕으로 인체에서 tDCS를 가하는 동안 실시간으로 fNIRS를 측정하는 디바이스를 개발하는 프로젝트를 수행하고 있다.

<동시 tDCS-fNIRS 측정을 위한 실험 셋팅 및 실험 장면>

 

 

기능적 근적외선 분광(fNIRS)을 이용한 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구

 한양대 계산신경공학연구실에서는 사람 피험자를 대상으로 한 fNIRS 기반의 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 지속적으로 개발하고 있다. 아래의 사례는 fNIRS 기반 BCI 시스템에서 활용 가능한 최적의 인지 과제를 탐색하는 연구 결과를 보여주고 있다 (Han et al., J. Biomed. Optics, 2014). 본 연구 결과로부터 수치 계산과 오른 손 운동심상을 다른 인지 과제와 함께 수행했을 때 가장 높은 분류 정확도를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 개인별 최적의 인지 과제를 탐색할 때 훈련 및 과제 선정에 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이 이외에도 본 연구실에서는 fNIRS를 이용한 긍/부정 의도 인식 기술 개발(Hwang et al., J. Biomed. Opt., 2016), 숨참기를 이용한 fNIRS BCI의 성능 향상(Shin et al., IEEE Access, 2018), 새로운 NIRS 기기를 이용한 BCI의 성능 향상(Shin et al., Sci. Rep., 2017) 등 다양한 연구 성과를 도출하였다.

nirs_bci1.jpg

<fNIRS 기반 BCI를 위한 최적 mental task 탐색을 위한 연구>

 

 

뇌파와 기능적 근적외선 분광(fNIRS)의 동시 측정을 통한 다중모달 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 연구

 본 연구실에서는 fNIRS와 뇌파를 동시에 측정, 분석하여 BCI의 정확도를 획기적으로 향상시키기 위한 다중모달(multimodal) BCI 연구를 수행하고 있다. 2018년에 발표된 연구(Shin et al., Front. Neuroinform., 2018)에서는 뇌파와 fNIRS를 동시 사용해서 수치계산, 운동심상, 안정상태의 3가지 상태를 높은 정확도로 분류하는 새로운 다중모달 BCI 패러다임을 제안하였으며 기존의 단일모달 방식보다 높은 정보전달률과 정확도를 보여주었다. 아래 그림은 다양한 과제를 수행하는 동안 뇌파와 fNIRS에서 측정되는 반응을 그림으로 나타내고 있다.

 

fNIRS_EEG_multimodal.jpg

<fNIRS-EEG 다중모달 BCI 분석 결과>

 

 

References

- Jaeyoung Shin and Chang-Hwan Im, "Performance Prediction for a Near-Infrared Spectroscopy Brain-Computer Interface Using Resting-State Functional Connectivity of the Prefrontal Cortex," International Journal of Neural Systems, in press, 2018.

- Jaeyoung Shin, Jinuk Kwon, Jongkwan Choi, and Chang-Hwan Im, "Ternary Near-Infrared Spectroscopy Brain-Computer Interface with Increased Information Transfer Rate Using Prefrontal Hemodynamic Changes During Mental Arithmetic, Breath-Holding, and Idle State," IEEE Access, vol. 6, pp. 19491-19498, 2018.

- Jaeyoung Shin, Jinuk Kwon, and Chang-Hwan Im, "A Ternary Hybrid EEG-NIRS Brain-Computer Interface for the Classification of Brain Activation Patterns during Mental Arithmetic, Motor Imagery, and Idle State," Frontiers in Neuroinformatics, vol. 12, Art.No. 5, 2018.

- Jaeyoung Shin, Jinuk Kwon, Jongkwan Choi, and Chang-Hwan Im, "Performance Enhancement of a Brain-Computer Interface Using High-Density Multi-Distance NIRS," Scientific Reports, vol. 7, Art. No. 16545, 2017.

- Jeong-Youn Kim, Kun-Il Kim, Chang-Hee Han, Jeong-Hwan Lim, and Chang-Hwan Im* "Estimating Consumer’s Subjective Preference Using Functional Near-infrared Spectroscopy: A Feasibility Study," Journal of Near Infrared Spectroscopy, vol. 24, pp. 433-441, 2016.

- Han-Jeong Hwang, Han Choi, Jeong-Youn Kim, Won-Du Chang, Do-Won Kim, Kiwoong Kim, Sungho Jo, and Chang-Hwan Im, "Toward More Intuitive Brain-Computer Interfacing: Classification of Binary Covert Intentions Using Functional Near-Infrared Spectroscopy," Journal of Biomedical Optics, vol. 21, no. 9, Art.No. 091303, 2016.

- Han-Jeong Hwang, Jeong-Hwan Lim, Do-Won Kim, and Chang-Hwan Im, "Evaluation of Various Mental Task Combinations for Near-Infrared Spectroscopy-based Brain-Computer Interfaces," Journal of Biomedical Optics, vol. 19, no. 7, art. ID. 077005, 2014.

- Chang-Hee Han, Hyuna Song, Yong-Guk Kang, Beop-Min Kim, and Chang-Hwan Im, "Hemodynamic responses in rat brain during transcranial direct current stimulation: a functional near-infrared spectroscopy study," Biomedical Optics Express, vol. 5, no. 6, pp. 1812-1821, 2014.

- Seungduk Lee, Dalkwon Koh, Areum Jo, Hae Young Lim, Young-Jin Jung, Choong-Ki Kim, Youngwook Seo, Chang-Hwan Im, Beop-Min Kim, and Minah Suh, "Depth-dependent cerebral hemodynamic responses following Direct Cortical Electrical Stimulation (DCES) revealed by in vivo dual-optical imaging techniques," Optics Express, vol. 20, no. 7, pp. 6932-6943, 2012.

- Chang-Hwan Im, Young-Jin Jung, Seungduk Lee, Dalkwon Koh, Do-Won Kim, and Beop-Min Kim, "Estimation of Directional Coupling between Cortical Areas Using Near Infrared Spectroscopy (NIRS)," Optics Express, vol. 18, no. 6, pp. 5730-5739, 2010.

 


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