서     론

   뇌 기능영상이란 영상 기술을 이용하여 뇌의 기능적 측면을 관찰하는 기술이다. 뇌지도화(brain mapping)란 뇌의 국소부위에 관련된 기능을 연구하는 학문이며 이는 단순한 국소화가 아니라 국소 간의 상호 관계, 질병에 의한 기능의 변화 등 대뇌기능 전반을 연구하는 분야이다. 최근 이비인후과 영역에서도 중추신경계가 미치는 영향에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 이과학 분야에서는 전농과 인공와우이식환자, 이명환자에서 청각계의 기능과 언어재활능력에 관하여 말초 청각기관뿐 아니라 중추 청각경로의 기능을 포괄적으로 이해하기 위해 청각중추에 대한 연구가 이루어지고 있다. 특히 인공와우 이식 전후의 대뇌기능의 변화는 감각의 결핍뿐 아니라 인공적 회복에 의한 뇌기능의 변화를 연구할 수 있는 유일한 분야로서 뇌과학계에서도 흥미로운 주제로 여겨지고 있다.¹⁾
   뇌 기능영상은 1970년대 양전자단층촬영(positron emission tomography, PET) 영상기술을 통하여 발전되었으며 1990년대에 방사선 동위원소를 사용하지 않고 좀 더 높은 시간/공간 해상도를 제공하는 기능성 뇌자기공명영상(functional magnetic resonanace imaging, fMRI) 기법이 개발된 후 그 연구 저변이 폭발적으로 확대되었다.²⁾
   뇌 기능영상 기법을 사용한 연구에서는 사용된 기법의 시간/공간해상도(temporal/spatial resolution)에 따라 관찰된 뇌활동도의 의미를 적절히 해석하여야 하며 과제를 사용한 실험을 계획할 때에도 그 시간적/공간적 해상도를 고려하여야만 한다(Fig. 1).³⁾ 사건관련전위(event-related potential, ERP)나 뇌자도(magnetoencephalography, MEG)와 같은 경우 millisecond 단위의 빠른 시간해상도를 가지므로 신경활동의 전파를 관찰할 수 있으나 상대적으로 공간해상도는 낮아 뇌활동도의 위치를 정확히 국소화하기 힘들 수 있다. fMRI는 초단위의 시간해상도와 millimeter 단위의 우수한 공간해상도를 가지나 촬영 시 동반되는 큰 소음 때문에 청각자극을 사용하는데 제한이 있고 인공와우 이식수술을 한 경우 시행하기 어렵고 시행하더라도 이식기 주변의 왜곡(artifact)을 피할 수 없다. PET는 fMRI가 개발되기 이전에는 가장 보편적인 뇌 기능영상기법이었으나 방사성 동위원소를 사용해야 하므로 한 피험자에게 시행할 수 있는 실험의 횟수에 제한이 있고 동위원소 생산을 위한 cyclotron 설비가 필요하므로 1990년대 fMRI가 개발된 후 좀 더 우수한 시간/공간해상도를 가진 fMRI가 많은 부분을 대신하게 되었다. 그러나 PET은 상대적으로 소음이 적어 청각자극을 사용하기에 용이하고 인공와우이식기가 있더라도 실험을 하는 데 문제가 없어 인공와우 사용자를 대상으로 한 연구에서 주로 사용되고 있다.
   여기서는 대표적인 뇌 기능영상기법들을 소개하고 그 기법을 사용한 연구들 중 신경이과학적 질환, 특히 전농과 인공와우 사용자에 관련된 연구들을 간략히 살펴보고자 한다. 

양전자단층촬영(Positron Emission Tomography, PET) 

   PET과 fMRI는 신경활동도를 직접 측정하는 것이 아니라 그와 관련된 대사 혹은 혈류의 변화를 측정하여 간접적으로 신경활동도를 측정한다. 뉴런 세포는 신체의 다른 세포들과 마찬가지로 활동을 위해 산소와 영양분이 필요하고 이를 공급할 혈류의 순환이 필수적이다. 뇌는 인체가 소모하는 산소량의 약 20%를 소비한다. 어느 대뇌 국소부위가 활성화되면 그 부위로 가는 혈류량이 증가하여 필요한 당분과 산소를 공급할 것이며 이러한 뉴런 활성화와 관련된 대사물질에 방사성 동위원소를 결합시킨 추적자(tracer)를 사용하여 활성화 영역을 국소화시키는 기술이 PET이다. 
   PET을 이용한 뇌 기능영상에서 가장 흔히 사용되는 추적자는 물로 방사성 동위원소인 H₂¹⁵O를 사용한다. 방사성 동위원소는 그 물리적 성질이 불안정하므로 시간이 지나면 반감기 곡선에 따라 양전자(positron)를 방출하며 감쇄되고, 양전자가 주변의 전자(electron)를 만나 충돌하게 되면 두 개의 광자(photon), 즉 감마선(gamma ray)이 방출되어 빛의 속도로 180도의 각도를 이루어 반대방향으로 방출된다. PET 촬영기는 감마선 감지기로서 충돌이 일어난 위치를 감지하고 정보처리과정을 거쳐 재건된 영상은 물의 분포, 즉 혈류량의 분포를 간접적으로 대변하게 된다(Fig. 2).⁴⁾ 가설은 실험과제에 따른 국소에서의 혈류량 증가를 증명하려는 것이고, 실험실마다 환경이 다르나 보통 12~16개의 영상을 약 10분 간격으로 얻게 된다. 국가마다, 실험실마다 연간 방사선 노출량에 대한 기준이 있어 그에 따라 얻을 수 있는 영상의 수가 정해지게 된다. 실험 설계에 따라 실험조건 2~3가지와 대조조건에서 각 3~4개씩의 영상을 취하여 감산법으로 실험에 의한 혈류량의 증가를 관찰한다. 예를 들어 소리를 들을 때 나타나는 청각피질의 활성화를 관찰하고자 하면 청각자극을 제시한 조건과 청각자극 없이 고요한 조건의 두 조건에서 영상을 획득한다. 소리를 듣는 조건에서는 청각피질이 활성화되면서 청각피질에 영양을 공급하는 혈류량이 증가될 것이므로 두 조건에서의 영상을 감산하면 소리를 듣는다는 과제에 의한 청각피질의 혈류량 증가를 관찰할 수 있을 것이다. 각 조건당 획득하는 영상의 수가 많아지면 불필요한 잡음에 의한 청각피질 이외의 다른 영역의 혈류 증가는 평균 감산되어 사라지고 과제에 의한 혈류량의 변화만을 효과적으로 관찰할 수 있다.⁵⁾
   영상의 분석은 여러 단계를 거치게 된다. 먼저 여러 개의 영상을 찍는 동안 머리의 움직임을 보정하는 재정렬(realignment) 후 표준화(normalization) 과정을 거치는데, 각각의 뇌영상을 부분적으로 변형하여 표준화된 뇌 모양에 맞추는 과정으로서 뇌의 크기와 구조가 다른 여러 개인들의 뇌영상을 표준 좌표화함으로써 집단비교가 가능하도록 한다. 이후 신호 대 잡음비율을 줄이기 위한 편평화(smoothing) 작업을 거치면 전처리(pre-processing)단계가 완료된다. 이후 일반선형모델(general linear model)을 이용하여 통계적 분석을 거치면 의미 있는 영상신호의 변화를 보이는 영역을 찾게 된다(Fig. 3).
   PET 영상은 사용된 동위원소의 반감기에 따라 시간해상도가 정해진다. ¹⁸F-FDG-PET은 포도당에 방사성 fluorine (¹⁸F)을 붙였으며 반감기는 약 2시간이다. 충분한 섭취가 이루어지기까지 약 30분 정도의 시간이 필요하므로 그 동안 피험자를 한 가지 과제에만 집중하도록 하기에는 어려움이 있다. 따라서 특별히 고안된 과제와 연관된 대사량 변화를 관찰하기보다는 휴식기 대사량을 관찰하는 데 적당하다. H₂¹⁵O-PET는 약 2분의 반감기를 가지고, 신체 내에서 물의 움직임에 따라 빠르게 뇌에 도달, 분포되므로 수 분 동안의 짧은 기간 동안 집중하여 수행하는 과제를 사용하는 실험을 하기에 적당하다. 기타 신경계 질환과 관련된 영역에서는 약물이나 신경전달물질을 추적자로 이용한 PET 연구들이 뇌질환 치료법 개발에 응용되기도 한다.

임상연구에의 적용

전농에서 청각피질의 교차가소성
   청각의 결핍에 의한 뇌기능 변화의 이해는 감각피질의 기능 변화에 대한 연구로부터 시작된다. 한 가지 감각이 결핍되게 되면 그 감각의 처리를 담당하는 대뇌피질은 다른 감각을 처리하도록 기능이 변질되는데, 이는 경험에 따라 기능을 담당하는 피질의 위치가 달라지는 대뇌의 가소성(plasticity)이라는 특질 때문이다. Nishimura 등은 수화를 사용하던 선천성 전농환자에서 인공와우이식수술 후 인공와우이식기를 통한 언어자극이 일차 청각피질은 활성화시키나 이차피질은 청각자극이 아니라 시각으로 수화를 볼 때 활성화됨을 보여 전농환자에서 일어나는 감각교차 가소성의 예를 보였다.⁶⁾ 이는 이전에 선천성 맹환자를 대상으로 한 PET 연구에서 점자를 읽을 때 이차 시각피질이 활성화됨을 발견한 연구와 일맥상통하여 말초감각의 유입이 결핍된 중추감각피질에서 감각교차 가소성(cross-modal plasticity)이 일어난 예이다.^7,8) 
   이러한 교차가소성은 인공와우이식에 중요한 의미를 가지는데, 결핍된 청각을 수술로써 회복시키더라도 청감각을 감지하여 정보를 추출하는 대뇌피질의 기능이 떨어져 있다면 큰 효과를 기대하기 힘들기 때문이다. 인공와우이식의 예후와 청각피질 교차가소성의 관계에 관해서는 FDG-PET을 이용한 연구들이 있다. 수술 전 측정한 FDG-PET 영상에서 관찰된 청각피질의 저대사 영역, 즉 정상 청력인보다 덜 사용되는 청각피질의 영역이 넓을수록 인공와우이식수술 후 청각이 회복되면 청각언어 수행도가 높았다.^9,10) 청각피질의 저대사 정도는 전농기간이 길어지면서 줄어드는데, 이는 전농기간이 길어지면서 해당 말초감각이 결핍된 청각관련 영역들이 교차가소성으로 인해 다른 기능에 사용되면서 원래 담당했던 청각을 처리하는 기능이 떨어지기 때문으로 해석된다. 따라서 인공와우이식으로 청각을 회복하더라도 청각언어를 배우기에 어려움이 있다. 이러한 교차가소성은 언어습득기 후 전농인 성인에서도 관찰되지만 매우 느리게 발생한다. 언어습득기 후 전농성인의 청각피질 대사량과 전농기간과의 상관관계를 보고한 이전 보고들에서도 약 20년 이상의 긴 전농기간을 가진 환자들이 포함되어야만 통계적 유의성을 갖게 됨을 알 수 있다.^11,12)

전반적인 두뇌 대사량의 특성과 인공와우이식의 예후
   전농 소아들을 대상으로 한 FDG-PET 연구에서 전농기간의 영향을 크게 받는 청각피질의 가소성 이외에 전농기간과 독립적으로 인공와우이식의 예후에 영향을 미치는 인자로서 대뇌 대사량의 dorso-ventral dissociation이 관찰되었다. 수술 전 두뇌의 배측(dorsal) 영역의 대사량이 높고 복측(ventral) 영역의 대사량이 낮은 경우 인공와우이식 후 예후가 좋았다.^10,13) 이는 감각정보의 패턴해석에 관여하는 ventral area보다 고위인지기능과 관련된 dorsal network을 많이 사용하는 경우 술 후 청각언어 수행도가 높다는 것으로 와우이식 수술 후 예후에 작업기억력 등 고위 인지기능이 관련되어 있다는 최근의 행동연구들과 일맥상통하는 바이다.^14,15,16) 그러나 FDG-PET을 이용한 휴식대사량 측정은 특정한 가설에 기초한 과제가 없이 휴식기의 자유로운 뇌활동을 뇌 전체에서 관찰하는 것이므로 특정한 인지기능과 직접 연관되어 해석하기에는 어려움이 있다. 반면 과제가 없으므로 과제에 대한 이해나 훈련이 어려운 환자를 대상으로 시행할 수 있고 향후 과제를 사용한 기능성 뇌 영상 실험의 계획이나 행동연구의 가설을 세우는 기초연구가 될 수 있다.¹⁷⁾

인공와우 사용자의 두뇌기능 연구
   인공와우이식을 시행한 후에는 자기공명영상을 시행하는 데 제한이 있으므로 인공와우 사용자들의 뇌기능을 연구하기 위해서는 H₂¹⁵O-PET이 주로 사용되어 왔다. 초기연구들은 인공와우이식 환자들에서 인공와우이식기나 뇌간이식기를 통한 청각자극이 청각피질을 활성화시키고, 재활기간이 길어짐에 따라 청각피질의 활용도가 높아지며 정상인과 다른 어음처리 기전을 가짐을 밝혔다.^18,19,20,21) Giraud 등은 인공와우 사용자들에서 두뇌의 언어정보 처리에 시각경로의 중요성을 보고하였고, 청각 정보처리 시 시각피질의 활성화가 재활기간이 길어짐에 따라 증가함을 보고하여 시-청각 협응 능력의 발달을 보고하였다.^22,23) Mortensen 등은 인공와우이식 술 후 청각수행도가 좋은 군에서 좌측 하전두엽과 측두엽의 활성화가 높음을 보고하였다.²⁴⁾ 

이명의 기원
   뇌기능영상을 이용한 이명연구는 이명의 기원에 대한 이해를 높이고 새로운 치료법 개발 시도에 적용되고 있다. H₂¹⁵O-PET과 ¹⁸F-FDG-PET을 이용한 연구에서 이명환자에서 청각피질의 활성도가 증가되어 있으며 청각피질과 변연계의 비정상적인 연결성이 보고되었다.^25,26,27,28) 증가된 청각계의 활성도는 경두개 자기자극(Transcranial magnetic stimulation, TMS)을 이용한 이명 치료의 효과와 관련이 있었다.²⁹⁾

기능성 뇌 자기공명영상(functional Magentic Resonance Imaging, fMRI)

   fMRI는 방사성 동위원소를 사용하지 않고 혈색소(hemoglobin)의 물리적 성질에 따라 변화하는 국소의 자기공명 신호를 측정한다. 혈색소에 4개의 산소가 결합된 산화혈색소(oxygenated hemoglobin)와 산소가 소모되어 떨어져 나간 탈산화혈색소(deoxygenated hemoglobin)는 그 물리적 성질이 달라 다른 자기공명 신호를 가진다. fMRI가 감지하는 것은 이 산화혈색소에 대한 탈산화혈색소의 비율로서 이를 BOLD(blood oxygenation level-dependent) effect 라고 한다. 신경 활동 직후에는 신경의 활동에 따라 국소에서 탈산화혈색소가 증가되나 이 신호는 크기가 작아 최근 개발된 고해상도 MRI 기기로만 관찰이 가능하고, 실제 fMRI는 신경활동 후 수초에 걸쳐 천천히 증가하여 산소 소비량보다 초과하여 공급되는 산화혈색소에 의하여 결정된다. BOLD 신호는 신경활동 후 약 6~10초 후 최고점에 도달하며 전체 BOLD 신호의 약 3~5% 정도의 변화를 보인다(Fig. 4). 
   fMRI는 1990년대 초반 개발된 후³⁰⁾ 십수년 내에 PET을 제치고 가장 보편적인 뇌기능영상기법이 되었다. 이는 거의 모든 병원에서 보유하고 있는 MRI 기기를 사용하여 약간의 설정변화만으로 촬영이 가능한 접근성의 이점과 함께 시간/공간해상력이 우수하기 때문이다. 5~10 mm³ 정도의 해상도를 갖는 PET에 비하여 3 mm³ 이하의 공간해상도를 가지며 시간해상도 또한 수초 내로 우수하다. 또 방사성 동위원소를 사용하지 않으므로 한 피험자에서 짧은 기간 안에도 반복적으로 시행할 수 있고 각 피험자에게서 얻어지는 영상의 수가 늘어나므로 통계 분석에 유리해진다.³⁾
   최근 과제를 사용하지 않는 resting fMRI에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있으나 일반적으로 fMRI라 하면 일정한 가설에 근거한 과제를 제시하여 실험을 계획하며, 증명하고자 하는 가설에 적합한 실험자극과 과제를 적절하게 수립하는 것이 중요하다(Fig. 5).³¹⁾ 두세 가지의 목표조건과 대조조건을 사용하여 실험을 수행한 후 각 조건에서 얻어진 두뇌활동도 영상을 감산법(subtraction)을 적용한 통계분석을 하여 개인별, 그룹별로 일관된 활성도가 나타나는 영역을 분석하는 것이다(Fig. 6). 기본적인 통계분석방법은 전처리 후 일반선형모델을 이용하여 통계분석을 하는 PET의 분석법과 유사하다. 

임상연구에의 적용
   전농 환자에서 시각자극을 사용한 fMRI 연구는 이전에는 주로 수화를 사용하는 사람들에서 시각기능과 언어기능의 변화에 관한 주제로 이루어져 왔다. 수화를 사용하는 경우 시각기능의 증가가 예측되나 이는 전반적인 시각기능의 향상보다는 주변시야에서 시각운동에 대한 주의집중 등 특수한 부문에 국한된 시각기능이 향상되는 것으로 보고되었다.³²⁾ 
   전농 환자에서 일차감각이 결핍된 청각피질의 교차가소성에 대한 연구로는 다른 감각, 특히 시각자극을 이용한 청각피질의 동원을 관찰하는 연구들이 있다. 감각피질의 가소성은 일차 피질보다는 이차피질에서 주로 일어나는데, 이는 한 가지 감각의 유입에 충실한 일차 피질보다는 다른 감각과의 교차 연접이 풍부하게 존재하는 이차 피질의 다감각적(multimodal) 특질 때문으로 추정된다.^33,34) 그러나 최근 Finney 등의 fMRI 연구에서는 전농 환자의 일차 청각피질에서도 시각자극에 의한 활성도가 나타남을 보고하였고 원숭이의 두뇌 조직학적 연구에서도 시각-청각 일차피질 간의 신경연접이 발견되어 일차 피질 기능의 교차 가소성 또한 완전히 배재할 수는 없다.^35,36,37,38) 최근 언어습득기후 전농 환자에서 독순술을 이용한 fMRI 연구에서는 이러한 교차가소성의 기전을 시각 의사소통 기술을 어떻게 유지하는가라는 관점에서 연구하였고 청각이 소실되면 감각피질 간의 교차 연접이 즉각적으로 활성화되는 빠른 교차가소성이 일어나 주된 의사소통기능인 독순술을 극대화함을 보였다.³⁹⁾
   전반적으로 시각계에 대한 연구보다 청각계에 대한 fMRI 연구가 뒤쳐져 있는데, 이는 청각피질이 상대적으로 크기가 작은데다가 큰 소음이 동반되는 fMRI 실험에 청각자극을 적용하는 기술적 어려움이 있기 때문이다. 특히 난청 환자를 대상으로 할 때에는 청각자극 제시 자체의 신뢰도가 흔들릴 수 있다. 청각자극을 이용한 fMRI는 실험 도중 110 dB 이상의 큰 소음이 동반되므로 소음을 차폐하여야 하고 경우에 따라 fMRI에 의한 소음과 자극음 사이에 시간차를 두어 소음에 따른 BOLD 신호를 제외하고 자극음에 따른 BOLD 신호만을 측정하는 sparse sampling technique 등을 염두에 두어야 한다.^40,41) 최근 Langers 등은 정상인에서 양측 귀에 청각자극을 제시하면서 sparse sampling technique을 이용하여 일차 및 이차 청각피질의 활성 양상을 비교 분석하였고, 일차 청각피질에서는 명확한 tonotopy와 lateralization 현상이 이차 청각피질에서는 사라짐을 보고하였다.⁴²⁾ 
   Patel 등은 와우이식 예정인 소아들을 대상으로 행동역치보다 10 dB상의 음자극을 제시한 자극조건과 소리를 제시하지 않은 대조조건 간의 감산으로 청각피질의 활성화를 관찰하였고 그 활성화 정도와 수술 후 CI threshhold와의 상관관계를 연구하였다.⁴³⁾ 이 연구는 고도난청 환자에서 청각경로를 통한 자극으로 청각피질의 기능을 평가하려는 의도에서 와우갑각 전기자극을 이용한 Mortensen 등의 H₂¹⁵O-PET 연구등나 다른 SPECT 연구들과 같은 맥락에 있다.^44,45) 와우이식 수술 후 이식기를 통한 청각 자극으로 청각피질의 tonotopy를 관찰한 연구들도 있는데, 이 경우 체내에 이식하는 내부수신기가 없는 Ineraid 기종을 사용하는 환자들을 대상으로 하여 이식기에 의한 영상 왜곡을 최소화하였다.^46,47) 
   이명 환자를 대상으로 한 fMRI연구들은 뇌간에서 청각피질에 이르는 청각경로에서 비정상적인 활성화를 관찰하여 이명이 청각중추경로의 비정상적 활동에 의한 phantom phenomenon이라고 보고하고 있다.^48,49) 

사건관련전위와 뇌자도(Event-Related Potential, ERP and Magnetoencephalography, MEG)

사건관련전위(Event-related potential, ERP)
   한 개의 뉴런이 방출하는 전기적 신호는 미세하나 여러개의 뉴런이 한꺼번에 방출하는 신호는 두피에 설치한 전극으로 감지할 수 있다. ERP는 뇌파 측정 중 일정한 자극을 여러 번 제공하여 그와 일정한 시간적 간격을 두고 일관되게 나타나는 반응을 평균가산하여 소음을 제거하고 측정하는 방법으로 자극으로 제시되는 감각, 운동, 인지기능 사건(event)와 연관된 전기적 활동이므로 사건관련 전위(event-related potential)라 명한다. ERP는 매우 빠른 전기적 신호를 기록하므로 millisecond 단위의 빠른 시간 안에 변화하는 신경 활동도를 측정할 수 있다. 그러나 전기 신호의 기록이 두피에서 이루어지므로 신경활동이 일어난 두뇌부위를 국소화하는 데에는 컴퓨터를 이용한 모델링 기법으로 신경활동의 국소위치를 추정해야 하는 어려움이 있다. 신경활동의 위치는 한 군데일 수도, 여러 군데일 수도 있다.

뇌자도(Magnetoencephalography, MEG)
   활성화된 뉴런 세포는 전기적 신호 외에 자기신호 또한 방출한다. ERP의 원리와 동일하게 주어진 사건에 대한 사건관련 자기장(event-related fields)을 평균가산하여 측정하게 된다. 자기신호는 전기적 신호와 달리 두피와 두개골, 뇌조직을 통과하면서 덜 왜곡되므로 MEG는 ERP와 동일한 수준의 시간해상도를 가지면서도 신경활동을 국소화하기 용이하다는 장점을 가진다. ERP와 같이 컴퓨터 모델링으로 국소위치를 추정하나 더 정확한 결과를 얻을 수 있고 실제 해부학적 MRI 영상과 비교 분석하면 개개인의 해부학적 지표에 맞는 국소 위치를 추정할 수 있어 신경외과적 수술에 응용되고 있다(Fig. 7). 그러나 자기장의 특성상 두뇌 표면에 평행한 전기흐름만을 감지할 수 있으므로 주로 대뇌피질 구(sulcus)에서 발생하는 두뇌활동을 검사하게 되는 한계점이 있고, 검사 기기의 가격이 매우 비싸 세계적으로도 MEG를 보유한 센터의 수가 많지 않다.

임상연구에의 적용
   Doucet 등은 인공와우 사용자들을 대상으로 움직이는 시각 자극을 이용한 ERP 연구를 보고하였다. 시각자극에 의한 두뇌 활성도가 인공와우이식의 예후가 좋은 환자들에서는 시각피질이 위치한 후두부에 집중된 반면 예후가 나쁜 환자들에서는 후두부에서 측두엽 쪽으로 확산되어 있음을 보고하였다. 이 연구는 인공와우이식 전에 수화를 사용하였던 예후가 나쁜 군의 환자들에서 측두엽이 시-청각 교차가소성을 일으켰음을 보여준다.⁵⁰⁾ 전농 환자에서 시각자극을 이용하여 일차청각피질의 활성화를 관찰한 Finney의 연구 중 일부는 MEG를 이용한 것이다.³⁷⁾ MEG는 자기장의 변화를 감지하는 것이므로 두개골에 금속성 이식기를 가지고 있는 인공와우이식 수술 후 환자에서는 수행하는 데 어려움이 있다. 그러나 최근 Pantev 등은 인공와우이식 후 환자에서 RF shield를 씌운 뒤 MEG를 시행하여 이식기를 통한 청각자극으로 청각피질이 활성화되며 재활기간이 길어짐에 따라 청각피질의 활성화가 증가함을 보고하였다.⁵¹⁾

Connectivity 

   두뇌는 각각의 국소 기능을 합한 것이 아니라 하나의 커다란 시스템으로 보아야만 전체적인 이해가 가능하다. 전통적으로 두뇌 국소 간, 뉴런 간의 연결성 연구는 두뇌 국소 부위에 추적자(tracer)를 주입하여 그 이동을 관찰하는 방법으로 이루어졌다. 국소 부위로부터 축삭(axon)을 따라 추적자가 전파되는 양상을 조직절편으로 관찰하여 국소부위의 해부학적 연결성을 관찰하는 것이다. 이 방법은 마이크로미터 단위의 공간해상력을 가지며 단일 축삭의 시냅스 연결들까지 관찰할 수 있으나 침습적이므로 사람의 뇌를 대상으로 하기에는 어려움이 있어 원숭이 등 동물의 뇌를 대상으로 한 연구가 주를 이루었다. 최근 자기공명영상 기술의 발전에 힘입어 비침습적으로 살아있는 사람을 대상으로 뉴런 간의 연결성을 관찰하는 방법들이 개발되고 있는데, 하나는 백색질 신경로 내부에서 물분자의 움직임이 축삭의 배열방향에 따라 제한된다는 물리적 특성을 이용한 확산 텐서 영상(diffusion tensor imaging) 기법이고, 또 하나는 특정 두뇌작용 시에 두뇌 국소 간에 정보가 전달되고 통합되는 과정을 fMRI로 측정된 국소의 활성도 사이의 상관관계로 분석하는 기능적 연결도(functional connectivity, 혹은 effective connectivity) 분석법이다.⁵²⁾ 

확산텐서영상(Diffusion tensor imaging, DTI)
   최근 발달된 MRI 확산강조영상(diffusion-weighted imaging) 기술로부터 파생된 확산텐서영상(diffusion tensor imaging, DTI)은 인간 뇌의 해부학적 연결성을 살아있는 생체 내에서 연구할 수 있는 길을 열었다. 확산강조영상은 물분자의 운동에 민감하여 각 부피소(voxel) 단위에서 그 부피소 내 물분자의 주된 움직임의 축(principal diffusion direction, PDD)을 추출해 낼 수 있다. 물분자는 브라운운동을 하며 무작위로 움직이나 두뇌 백색질에서는 축삭 수초 내부에 분포하여 움직이므로 축삭과 수직인 움직임은 제한되고 평행인 움직임은 제한받지 않으므로 PDD는 축삭 다발의 방향성과 일치하게 된다. 따라서 DTI로 측정된 PDD로부터 백색질에서 부피소 단위별로 축삭다발이 배열된 방향성을 알 수 있고 이로부터 실제 신경로의 모양을 시각화한 것을 tractography라 한다.⁵³⁾
   그러나 Diffusion tractography 기술은 아직 정량적이라기 보다는 정성적인 특징을 가지고 있어 개인 간 비교나 그룹분석에 어려움이 있고 축삭의 배열이 방사성으로 확산되는 피질에 가까운 부위나 여러 방향의 축삭들이 교차하는 부위에서는 정확도가 떨어진다는 단점이 있다. 이러한 단점들도 최근 probabilistic tractography 등 분석법의 개발로 극복되고 있다. 

두뇌의 기능적 연결도(Functional connectivity and Effective connectivity)
   fMRI나 PET은 두뇌 전반에 걸친 활성도를 영상화하여 한 가지 과제를 수행할 때 활성화되는 여러 영역들을 보여준다. 여러 영역들이 동시에 활성화(coactivation)되는 것은 두 영역 모두 과제와 상관이 있음은 알려주나 그 두 영역 간의 관계를 알려주지는 않는다. 예를 들어, 어떤 시각과제를 수행하는 동안 일차시각피질과 방추상회(fusiform gyrus), 하두정소엽과 전전두엽이 활성화되었을 때 전전두엽이 top-down 방식으로 다른 영역들을 상부조절하여 영향을 미칠 수도 있고 반대로 시각피질과 방추상회로부터 bottom-up 방식으로 전전두엽의 활성화를 이끌어 낼 수도 있으며 그 외 다른 영역을 거쳐 coactivation이 되었을 가능성 또한 배재할 수 없다. Functional connectivity 연구는 정해진 가설 없이 뇌영상 자료로부터 독립적인 활성도 양상을 보이는 국소부위들을 추출하여 상관관계를 연구하는 principal component analysis, independent component analysis 등으로부터 시작되었다.⁵⁴⁾ 이후 이와 구별짓기 위해 effective connectivity라는 이름하에 영역들 간의 관계에 대한 가설을 전제로 하는 분석방법들이 개발되었다. fMRI기법으로 수분 간의 촬영시간 동안 수백개의 영상을 얻게 되는데, 두뇌의 관심 국소부위(seed region)의 활성도를 추출하면 시간축에 따른 활성도의 변화를 추출해 낼 수 있다. 이 시간에 따른 활성도의 변화를 변인으로 두고 시간 변화에 따라 상관관계를 가지며 변화하는 다른 국소부위들(target regions)을 찾아낼 수 있고 이 과정에서 가설에 대한 모델을 적용하여 검증하는 방법이다. 과제의 특성에 따른 연결도의 변화를 관찰하기도 하고 영역들 간 연결도의 방향성을 가설로 설정하여 증명하기도 하며 psychophysiological interaction, structural equation modeling, dynamic casual modeling 등의 방법들이 있다.^55,56) 

임상 연구에의 적용
   DTI를 이용하여 다발성 경화증이나 뇌종양, 난독증(dyslexia), 정신분열병 등 신경과적, 신경정신과적 질병을 대상으로 많은 연구들이 이루어지고 있다. 청각계를 대상으로 한 연구는 많지 않으나 고령화와 청각 손실에 의한 청각 경로의 부분적 연결성 감소가 보고된 바 있다.^57,58) 시각계에 대한 DTI 연구로서 선천성 맹환자들과 정상대조군의 시각경로를 비교한 연구에서는 맹환자들의 시상피질로(thalamocortical pathway)는 위축되어 있음에 반하여 피질간 경로(corticocortical pathway)는 비교적 보존되어 있어 시각피질 기능의 가소성은 시상피질로보다는 피질간 경로를 통해 이루어진다고 하였다.⁵⁹⁾ 
   Langers 등은 일측성 전농 환자를 대상으로 청각자극을 제공하여 시행한 기능적 연결도 연구를 발표하였고, 일측성 전농에서 청각경로에 나타나는 뇌가소성은 뇌간 경로보다는 피질단계에서 나타난다고 하였다.⁶⁰⁾ 

부피소 기반 형태 계측술(Voxel-Based Morphometry, VBM)

   해부학적 MRI 영상을 이용하여 대뇌 국소 부위의 부피를 비교하는 morphometry 기법은 엄밀한 의미에서 기능성영상 기법이라 할 수 없다. 그러나 두뇌 기능의 변화는 그 기능과 관련된 국소부위의 신경연접을 증가 혹은 위축시켜 국소부위의 구조를 변화시키며 이와 관련하여 음악가나 수학자 등 특정한 훈련이 필요한 직업의 경우 그 기능과 관련된 대뇌부위의 구조적 변화들이 보고되고 있다.^61,62,63,64) 또한 여러 신경계 질환을 대상으로 하여 질환과 관련된 기능과 구조의 변화를 연관시킨 연구들이 최근 활발히 이루어지고 있다.^65,66) 
   VBM은 T1강조영상과 같은 뇌의 해부학적 MRI 영상을 자료로 하여 회색질과 백색질을 구별하여 표준좌표공간으로 변환시킨 후 그 밀도를 통계적으로 비교하는 기법이다. 상용화된 분석 프로그램을 사용하면 자동화된 분석경로를 따르므로 주관적인 오류를 피할 수 있다.^67,68) 

임상연구에의 적용
   선천성 맹환자를 대상으로 한 VBM 연구에서는 시각경로 및 시각피질의 광범위한 위축이 보고되었고, 그 위축의 정도는 시각상실의 발생시점과 상관관계가 있다.^69,70) 그러나 선천성 전농을 대상으로 한 여러 연구진의 보고에서는 청각피질의 회색질 부피는 정상청력의 대조군과 차이가 없으며 좌측 후상측두회에 국한되어 백색질의 부피만 감소되어 있음이 일관되게 발표되었다.^71,72,73) 이에 미루어 시각중추와 청각중추의 태생학적 발달단계에서 환경과 유전의 영향이 다르게 미침을 추정해 볼 수 있다.

요     약

   청각계와 청각질환에 대한 이해의 폭이 넓어지면서 중추 청각 신경계의 기능에 대한 관심이 높아지고 있다. 두뇌의 기능성 영상기법은 인간의 뇌기능을 비침습적인 방법으로 안전하게 연구할 수 있는 방법으로 뇌간에서 대뇌에 이르는 청각경로의 기능 전반을 이해할 수 있는 새로운 수단으로서 청각과 관련된 질환의 기전과 치료계획의 수립 등 임상적용을 위한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 

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