기능적 연결성과 인과성 연구

 과거에는 뇌 연구의 초점이 뇌의 어느 부위가 어떠한 기능을 하는가를 규명하는 연구(뇌 기능 매핑 - Human Brain Mapping)에 맞추어져 있었다면 최근의 뇌 연구에서는 뇌의 어느 부위가 다른 부위와 연결이 되어 있는가를 규명하기 위한 뇌의 연결성 연구가 주목받고 있다. 뇌의 연결성은 크게 해부학적 연결성(anatomical connectivity), 기능적 연결성(functional connectivity)으로 나눌 수 있으며 기능적 연결성을 세분화하여 기능적 연결성과 기능적 인과성(functional causality 또는 effective connectivity)로 구분짓기도 한다. 최근에는 인간 게놈(genome) 프로젝트와 유사한 개념으로 뇌 신경들 간의 연결성 지도를 규명하기 위한 인간 커넥텀(connectome) 프로젝트가 시작되어 수많은 연구자들이 뇌의 신비를 규명하기 위한 공동 연구를 수행하고 있으며 계산신경공학 연구실도 이와 같은 뇌기능 연구 분야의 최근 동향을 반영하여 기능적 연결성 분석에 기반한 각종 뇌 질환 및 뇌기능 이상 환자들의 기능적 병인 진단 및 임상 적용에 대해 연구하고 있다.

두개강내 뇌파 신호원의 인과성 추정을 통한 뇌전증 기시부위의 국지화

 계산신경공학 연구실에서는 최근 서울대학교 병원 신경외과 정천기 교수님 연구실과 공동으로 발작중 측정된 두개강내 뇌파(ECoG)로부터 뇌전증 신호원을 국지화하고 신호원 사이의 인과성을 DTF 기법을 이용하여 분석함으로써 뇌전증 기시부위(epileptogenic zone)을 국지화하는 데 성공하였다 (Kim et al.,NeuroImage, 2010). 6명의 환자를 대상으로 수행한 연구 결과, 본 방법을 통하여 국지화한 신호원의 위치가 수술 부위와 매우 잘 일치하는 결과를 확인할 수 있었으며 본 연구 결과를 통해 시각적인 판독에 의존해 오던 뇌전증 기시부위의 보다 정확한 3차원적 국지화가 가능할 것으로 기대된다.

<Ictal Epileptogenic Source Localization with ECoG>

실시간 뇌 연결성 이미징 시스템

 계산신경공학 연구실에서는 본 연구실에서 최초로 개발한 실시간 동적신경영상 시스템을 이용하여 대뇌 피질 상의 뇌 신호 사이의 기능적 연결성을 실시간으로 모니터링할 수 있는 새로운 기술을 개발하였다 (Hwang et al., Med. Biol. Eng. Compt., 2011). 다음 그림은 구현된 시스템의 작동 모습을 보여주는 동영상을 나타낸다 (그림을 클릭하면 동영상을 볼 수 있음). 익숙한 여자 연예인의 사진이 보여진 경우 뇌 영역 간의 연결성이 순간적으로 증가하는 재미있는 현상을 관찰할 수 있으며(자세한 내용은 논문 참조) 통계적으로도 유의미한 증가를 확인하였다. 이 시스템을 활용하면 뇌 영역간의 연결성이 감소되는 것으로 알려져 있는 정신분열병이나 알츠하이머 치매 환자의 실시간 진단이 가능할 것으로 기대된다.

<Realtime Cortical Connectivity Monitoring System: 설정된 Cortical ROI (좌), 시스템의 구동 모습 (우)>

오른쪽 그림을 클릭하면 동영상을 볼 수 있음

그래프이론에 기반한 두개강내뇌파 연결성 분석을 통한 뇌전증 발생 부위 탐색

 본 연구실에서는 최근 그래프 이론(Graph Theory)를 이용한 두개강내뇌파 연결성 분석을 통해 이차전신뇌전증 환자의 뇌전증 발생 부위를 탐색하는 새로운 기술을 개발하였다. 다양한 그래프 이론 기반의 네트워크 정량화 지표 중 Betweenness Centrality 지표가 가장 우수한 뇌전증 발생 부위 국지화 성능을 나타내었으며 이 결과는 학계의 주목을 받고 있다 (Kim et al., Brain & Development, 2015).

<그래프 이론 기반 네트워크 분석을 이용한 이차전신뇌전증 환자의 뇌전증 발생부위 탐색 (Kim et al., 2014)>

신호원 수준의 동적 연결성 영상 기술

 최근 신호원 분석 및 영상 기술의 발달로 과거 전극 수준에서 행해져 왔던 기능적 연결성 분석을 대뇌 피질의 신호원 수준에서의 기능적 연결성/인과성 분석으로 확장할 수 있게 되었다. 본 연구실에서는 신호원 수준에서의 기능적 연결성 분석을 정신분열증 환자 데이터에 성공적으로 적용하여 새로운 진단 지표의 가능성을 확인하였으며 (Kang et al., submitted), 고려대학교 신경과 및 일산백병원 신경정신과와의 공동 연구를 통해 신호원 수준에서의 동적 연결성 양상을 영상화하고 나아가 각종 뇌질환의 발병 메커니즘 및 감별진단에 활용하는 연구(Che et al., in preparation)를 수행하고 있다. 아래 그림은 최근 본 연구실에서 수행하고 있는 전신뇌전증 환자의 신호원 수준 동적 연결성 영상의 적용 과정을 나타내고 있다 (Lee et al., Epilepsy Res., 2014).

 References

- Young Ho Park, Han-Yeong Jeong, Jae-Won Jang, So Young Park, Jae-Sung Lim, Jeong-Youn Kim, Chang-Hwan Im, Soyeon Ahn, Seong-Ho Park, and SangYun Kim, "Disruption of the Posterior Medial Network during the Acute Stage of Transient Global Amnesia: A Preliminary Study," Clinical EEG and Neuroscience, vol. 47, no. 1, pp. 69-74, 2016.

- Suk Yun Kang*, Chang-Hwan Im*, Fatta B. Nahab, Mi-Seon Shim, Jihye Park, Do-Won Kim, John Kakareka, Nathanial Miletta, and Mark Hallett, "Brain Networks Responsible for Sense of Agency: An EEG Study," PLoS ONE, vol. 10, no. 8, Art.ID. e0135261, 2015.

- Jeong-Youn Kim, Hoon-Chul Kang, Kiwoong Kim, Heung Dong Kim, and Chang-Hwan Im, "Localization of epileptogenic zones in Lennox-Gastaut syndrome (LGS) using graph theoretical analysis of ictal intracranial EEG: a preliminary investigation," Brain & Development, vol. 37, pp. 29-36, 2015.

- Chany Lee, Sung-Min Kim, Young-Jin Jung, Chang-Hwan Im, Dong Wook Kim, and Ki-Young Jung, "Causal influence of epileptic network during spike-and-wave discharge in juvenile myoclonic epilepsy," Epilepsy Research, vol. 108, pp. 257-266, 2014.

- Young-Jin Jung, Kyung Hwan Kim, and Chang-Hwan Im, "Mathematical Issues in the Inference of Causal Interactions among Multichannel Neural Signals," Journal of Applied Mathematics, vol. 2012, No. 472036 (14 pages), 2012

- Han-Jeong Hwang, Kyung-Hwan Kim, Young-Jin Jung, Do-Won Kim, Yong-Ho Lee, and Chang-Hwan Im, "An EEG-Based Real-time Cortical Functional Connectivity Imaging System," Medical & Biological Engineering & Compting, vol. 49, pp. 985-995, 2011.

- Young-Jin Jung, Hoon-Chul Kang, Keom-Ok Choi, Joon Soo Lee, Dong-Seok Kim, Jae-Hyun Cho, Chang-Hwan Im, and Heung Dong Kim, "Localization of ictal onset zones in Lennox-Gastaut syndrome using directional connectivity analysis of intracranial electroencephalography," Seuzure - European Journal of Epilepsy, vol. 20, pp. 449-457, 2011.

- Jun Sic Kim, Chang Hwan Im, Young Jin Jung, Eun Young Kim, Sang Kun Lee, and Chun Kee Chung, "Localization and propagation analysis for ictal source rhythm by elctrocorticography," NeuroImage, vol. 52, pp. 1279-1288, 2010.