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Research Topics

Neurophotonics: 신경광학

 

신경광학(Neurophotonics)이란

신경광학이란 의광학(Biomedical Optics)에서 새롭게 주목받고 있는 최신 분야 중 하나로서, 광학 기술을 신경과학 및 신경공학 분야에 적용하는 분야를 통칭한다. 일반적으로 신경광학이 포함하는 연구 범위는 신경과학 연구를 위한 광학 현미경, 빛을 이용한 신경 자극(e.g., Optogenetics)을 포함하나 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 연구할 수 있는 방법론의 개발과 NIRS를 이용한 뇌-컴퓨터 접속, 뉴로마케팅, 뇌기능 매핑 연구를 활발히 수행하고 있다. 아래에 최근 연구 사례들을 제시하였다.

 

 

기능적 근적외선 분광(fNIRS)에서의 기능적 인과성 추정

 계산신경공학 연구실에서는 고려대학교 김법민 교수님 연구팀 등과 공동으로 기능적 근적외선분광(functional NIRS: fNIRS)에서도 기능적 인과성을 관찰할 수 있음을 입증하는 연구 결과를 발표하였다 (Im et al., Optics Exp., 2010). 다음 그림은 쥐를 대상으로 한 실험 장면과 결과의 일부를 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. 2012년에 발표된 후속 연구(Lee et al., Optics Exp., 2012)에서는 피질 전기 자극을 가할 때의 뇌 활성도 변화를 fNIRS 신호의 인과성 분석을 통해 규명한 연구 결과를 발표하기도 했다.

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<Estimation of directional coupling between cortical areas using NIRS (Im et al., 2010)>

 

 

근적외선 분광(NIRS)을 이용한 경두개직류자극 동안의 뇌혈류 변화 관찰

한양대 계산신경공학연구실에서는 2014년 fNIRS를 이용하여 쥐(rat)의 뇌에 경두개직류자극(tDCS)을 가하는 동안의 뇌 혈류 변화를 최초로 관찰한 연구 결과를 발표하였다 (Han et al., Biomed. Optics Exp., 2014). 아래 그림은 실험 환경을 나타내고 있으며, NIRS 신호 분석을 통해 각 개체별 뇌혈류의 증가율과 감소율은 역의 상관도를 가진다는 사실을 최초로 발견하였으며, 개체 간의 고유한 차이를 고려한 개인화된 자극 파라미터 결정 방법을 제안하였다는 점에서 큰 학술적 의의를 가진다.

<Experimental Conditions for Simultaneous tDCS-fNIRS Recording (Han et al., 2014)>

 

 

근적외선 분광(NIRS)을 이용한 뇌-컴퓨터 접속 연구

 한양대 계산신경공학연구실에서는 사람 피험자를 대상으로 사용이 가능한 fNIRS 장비를 활용하여 새로운 방식의 뇌-컴퓨터 접속(BCI) 기술 및 실용적인 뉴로마케팅(Neuromarketing) 기술을 개발하고 있다. 아래의 그림은 fNIRS 기반 BCI 시스템에서 활용 가능한 최적의 인지 과제를 탐색하는 연구 결과를 보여주고 있다 (Han et al., J. Biomed. Optics, 2014). 본 연구 결과로부터 mental multiplication과 right hand motor imagery가 다른 인지 과제와 동시에 수행했을 때 높은 분류 정확도를 나타냄을 확인할 수 있었으며, 추후 개인별 최적의 인지 과제를 탐색할 때 훈련 및 과제 선정에 소요되는 시간을 크게 단축시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이 이외에도 본 연구실에서는 fNIRS 기반의 새로운 청각 이진 의사전달 시스템 개발(Kim et al., submitted), fNIRS를 이용한 긍/부정 의도 인식 기술 개발(Hwang et al., J. Biomed. Opt., 2016) 등의 연구 성과를 도출하였으며 다양한 뇌기능 매핑 연구에도 본 연구실에서 개발한 기술들을 적용하기 위해 활발한 연구를 진행 중에 있다.

 

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<fNIRS 기반 BCI를 위한 최적 mental task 탐색을 위한 연구 (Han et al., 2014)>

 

 

 

References

- 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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