사용자 정의 크기 MEG 사전 - 학교 어린이 Neuromagnetic 뇌 기능의 측정

안녕하세요, 저는 Steven Crane입니다. 저는 KIT Macquarie 뇌 연구소의 공동 소장입니다. 본 연구소는 호주 시드니의 Macquarie 대학교 내 Macquarie 인지 과학 센터 소속입니다.

안녕하세요, 저는 맥쿼리 대학교 맥쿼리 인지과학 센터에서 근무하는 Illa Dessan입니다. 안녕하세요, 저는 맥쿼리 인지과학 센터에서 근무하는 Melanie Reed입니다. 저희는 맥쿼리 대학교에서 2세에서 6세 사이 아동의 빠른 언어 습득의 기초가 되는 뇌 기전을 연구하기 위해 뇌자도 또는 MEG를 사용하고 있습니다.

MEG는 뇌 피질에서 생성되는 자기장을 측정합니다. MEG를 통해 우리는 언어 처리 과정 중 어느 뇌 영역이 활성화되는지, 그리고 이러한 서로 다른 영역들이 어떻게 상호작용하는지 관찰할 수 있습니다. 뇌 영상 시스템을 사용하여 어린 아이들을 대상으로 연구할 때에는 두 가지 어려움이 있습니다.

첫째로, 일반적인 실험실 환경은 아동 친화적이지 않습니다. 둘째로, MEG 연구에 참여하려면 아동은 움직임을 최소화하도록 지시받아야 하며, 장시간 동안 과제에 집중해야 합니다. 따라서 아동이 즐겁게 참여하면서도 MEG를 사용할 수 있게 하는 프로토콜을 개발하는 것이 저희에게 중요했습니다.

그럼에도 불구하고, MEG의 이점은 이러한 어려움을 훨씬 상회합니다. MEG는 매우 높은 시간 분해능과 우수한 공간 분해능을 갖추고 있어 아동의 뇌 기능을 측정하는 데 매우 유용한 도구이며, 완전히 비침습적이기 때문에 아동의 신경 조직에 가해질 수 있는 위험이 전혀 없습니다. MEG와 달리, 다른 신경 영상 기법들은 강한 자기장과 방사성 의약품을 사용하므로 어린 아동에게 위험할 수 있습니다.

본 아동용 MEG 시스템의 핵심 특징 중 하나는 어린 아이들이 사용할 수 있도록 특별히 설계되었다는 점입니다. 이 맞춤형 크기의 시스템은 카나와 공과대학 및 요코가와 전기 corporation과의 협력을 통해 개발되었습니다. 다음 영상에서는 왜 아동을 위한 맞춤형 MEG 시스템 개발이 필요했는지 설명하고, MEG 시스템 연구를 위해 아동을 어떻게 준비시키는지 보여드리겠습니다.

앞으로 몇 분 동안 저희와 함께 실험실을 살펴보겠습니다. 어린이들이 저희 연구 참여를 즐겁게 느낄 수 있도록 저희가 취한 조치들을 설명해 드리겠습니다. 실험실에는 동일한 자기 차폐실 내에 두 대의 MEG 시스템이 설치되어 있습니다.

성인용 시스템은 MEG 헬멧 내부에 고르게 분포된 160개의 센서로 구성되어 머리 전체를 커버합니다. 어린이용 MEG 시스템은 이와 유사한 구조를 가지고 있으나, 64개의 센서로 구성되어 헬멧의 크기가 더 작으며 미취학 아동 및 영유아에게 최적화되어 있습니다. 뇌자도법 또는 뇌자도 영상법은 신경 세포의 활동을 직접 측정하는 신경 영상 기술입니다.

MEG는 뇌 피질의 수천 개의 활성 뉴런에서 생성되는 희미한 자기장을 검출하고 증폭할 수 있습니다. 이러한 약한 자기장의 검출은 SQUID 또는 초전도 양자 간섭 장치라고 알려진 특수 센서를 통해 쉽게 이루어집니다. MEG 시스템을 구동하기 위해서는 초전도 기술이 필요합니다.

센서는 영하 270 °C의 액체 헬륨을 이용한 냉각이 필요합니다. 다음 순서는 매주 수행해야 하는 액체 헬륨 시스템 재충전 과정을 보여줍니다. 액체 헬륨은 MEG 시스템 운영 비용의 대부분을 차지합니다.

뇌에서 발생하는 자기장은 현대 실험실의 모든 장비에서 생성되는 자기장에 비해 매우 작습니다. 이는 MEG 시스템이 반드시 자기 차폐실 내에 설치되어야 함을 의미합니다. 본 연구실의 차폐실은 세 층의 perlo와 한 층의 구리로 구성되어 있습니다.

해당 룸의 무게는 약 8.5톤이며, 이 무게를 견디기 위해 실험실 바닥을 특별히 보강해야 했습니다. 자기 차폐실의 비용은 MEG 시스템 전체 자본 비용의 3분의 1에서 절반 정도를 차지합니다. 룸 측면에는 여러 개의 포트가 있어 시각적 자극을 룸 내부로 투사하거나 광섬유 케이블을 통해 다른 종류의 장비를 작동시킬 수 있습니다.

MEG는 뇌의 활성 세포에서 생성되는 자기장을 측정합니다. 이와 유사한 기술인 뇌파검사(EEG)는 이러한 자기장의 전기적 성분을 측정합니다. EEG는 훨씬 단순하고 비용이 적게 드는 기술이지만, 뇌 내 활동의 위치를 국소화하는 MEG의 능력은 갖추고 있지 않습니다.

더 큰 어린이와 성인을 대상으로 하는 연구에서는 흔히 EEG와 MEG를 동시에 기록합니다. 하지만 미취학 아동의 경우 EEG 설정에 소요되는 시간이 매우 길기 때문에 이는 일반적으로 실용적이지 않습니다. MEG는 액체 헬륨에 잠겨 있는 센서를 사용하므로, 센서들이 진공 밀봉된 절연 헬멧 도어 내의 고정된 위치에 자리 잡고 있기 때문입니다.

표준 성인용 MEG 시스템의 헬멧은 성인 머리의 약 95%를 수용할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 가장 크거나 작은 머리의 경우 성인용 헬멧에 잘 맞지 않는다는 것을 의미합니다. 특히 미취학 아동의 경우 머리 반지름이 성인보다 2~3cm 정도 더 작기 때문에 이러한 문제가 두드러집니다.

MEG 신호는 거리와 함께 매우 빠르게 감쇠하기 때문입니다. 이는 성인용 헬멧의 많은 센서들이 어린이의 뇌에서 발생하는 신호를 측정하는 데 효과적이지 않을 것임을 의미합니다. 또 다른 문제는 어린이들이 측정 세션 동안 커다란 헬멧 내에서 머리를 움직일 가능성이 더 높다는 점입니다.

이로 인해 MEG 신호의 저하가 발생합니다. 이 클립은 성인용 시스템의 MEG 센서를 보여줍니다. 어린이의 머리와 비교했을 때, 많은 센서가 머리 표면에서 상당히 멀리 떨어져 있음을 알 수 있습니다.

이것이 바로 미취학 아동의 머리 크기에 맞게 맞춤 제작된 MEG 헬멧 제작 장치를 만드는 것이 가치 있는 이유입니다. 이 영상에서 보시는 바와 같이, 본 연구의 아동용 MEG 시스템 센서들은 모두 머리 표면에 매우 가깝게 위치해 있습니다. 실험을 시작하기 전에 몇 가지 단계가 완료되어야 합니다.

MSR 내부에서 아동이 철성분을 포함한 물건을 소지하고 있는지 확인합니다. 주머니에 무엇이 들어있나요? 없다고 합니다. 그리고 두 번째 확인을 거칩니다.

아동에게 5개의 마커 코일이 포함된 캡을 씌웁니다. 그다음 아동의 머리 형태를 디지털화하거나, 저희가 흔히 말하는 머리 그림을 그립니다. 그런 다음 타이(tie)를 준비하는 동안 아동을 MSR 또는 우주선 모양의 장치 안에 들어가 게임을 할 준비를 하게 합니다.

MSR 내부의 상단 스크린에서 피험자가 선택한 영화가 상영됩니다. 피험자가 편안하게 누우면 문을 닫고 데이터 수집을 시작합니다. 실험은 보통 약 20분 동안 진행됩니다.

우리는 아이가 무음 영화를 시청하는 동안 우주선 안에서 게임을 하도록 제안합니다. 본 실험의 경우, 아이들은 일련의 문장들을 주의 깊게 듣고 'cheese'라는 단어가 들리는 즉시 해당 단어를 반복해 말합니다. 원숭이의 배낭에서 치즈 냄새가 납니다.

잘 되었습니다. 당근 치즈, 아주 잘 하셨습니다. 아이의 가슴 위에 보이는 플라스틱 튜브를 통해 아이의 귀로 전달되는 음성 발화와 같은 음향 자극이 제공됩니다. 튜브를 아이의 귀 내부에 맞추기 위해 아동용 폼 이어피스를 사용합니다.

데이터 수집 과정 동안, 폐쇄 회로 비디오를 통해 아동을 지속적으로 모니터링하며, 실험자는 마이크를 통해 아동과 소통할 수 있습니다. MEG 측정 전에 수영모에 5개의 마커 코일을 고정하고, 이를 아동의 머리에 씌웁니다. MEG 측정 중에는 이러한 코일을 사용하여 데이터 수집 전반에 걸쳐 머리의 위치와 움직임을 측정하고 모니터링합니다.

연구자와 부모는 희망하는 경우 차폐실 내에서 항상 아동과 함께 머뭅니다. 이는 아동이 편안함을 느끼게 하고 움직임을 최소화하기 위함입니다. 실험이 끝나면, 과제를 올바르게 수행한 아동들에게 보상으로 상품을 제공합니다.

그렇다면 어떤 스티커를 선택하시겠습니까? 여기 하나, 저기 하나가 있습니다. 미취학 아동을 겪어보신 분들이라면 아이들의 첫 번째 선택이 자기 차폐실 안에 가만히 누워 있는 것이 아닐 거라는 점을 잘 아실 것입니다.

우리는 환경과 과정 모두를 어린이 친화적으로 만들기 위해 여러 가지 기법을 사용합니다. 실험실은 어린이 친화적인 스티커와 봉제 인형들로 꾸며져 있습니다. 테스트는 실험실을 3회에서 5회 방문하여 진행합니다.

첫 번째 방문은 보통 아동에게 연구원들과 MEG 환경을 소개하는 시간으로 활용됩니다. 아동은 장난감, 동물 곰, 또는 개구리 커밋을 관찰합니다. 앞으로 진행하게 될 모든 단계를 상세히 안내합니다.

우리는 테스트 세션을 위한 테마를 도입합니다. MEG 시스템은 아이들을 우주 모험으로 데려가기 위해 대기 중인 우주선입니다. 우리는 이 테마를 바탕으로 우리가 진행할 단계를 설명하는 작업 책자를 준비했으며, 그 주변을 크레파스로 그리게 합니다.

여러분의 머리 그림을 그리는 것과 같습니다. 디지털화와 테스트가 진행되는 동안 아이들이 가만히 유지하는 것이 매우 중요합니다. 자, 이제 그대로 멈춰주세요.

이렇게 멈출 수 있을까요? 아이들에게 어떻게 멈추는지 보여달라고 요청하며 이를 전달합니다. 잘했습니다.

상당히 훌륭합니다. 냉동 과정이 중요합니다. 실험실을 방문할 때마다 냉동 가능 여부의 중요성이 강조됩니다. 또한, 아이들이 실험의 각 단계를 이해하도록 하는 것이 중요합니다.

우리는 아이들이 이해할 수 있는 언어를 사용하여 각 단계를 설명합니다. 예를 들어, 마커 코일이 들어 있는 캡을 우주비행사 헬멧이라고 부릅니다. 이제 우주비행사가 된 기분이 드나요?

그리고 저희는 디지털화 작업을 아이들의 머리 사진을 그리는 것이라고 설명합니다. 아이가 수줍음을 타거나 불안해 보일 경우, 실험 내용이 무엇인지 설명하기 위해 인형을 자주 활용합니다. 또한 아이들에게 도움을 요청함으로써 우리가 무엇을 하려 하는지 더 잘 이해할 수 있도록 합니다.

아이들은 보통 인형이 자기 차폐실(magnetically shielded room)로 들어가는 것을 돕는 것을 즐거워합니다. 만약 아이가 여전히 자기 차폐실로 들어가는 것을 원하지 않는다면, 아이가 더 편안함을 느낄 때까지 단순히 놀이 시간을 갖습니다. 아이들이 우리 프로토콜의 모든 단계에 익숙해지면, 자기 차폐실 내부에서 수행할 실험 과제를 도입합니다.

음. 그래서 계속해서 반복해야 했던 마법의 단어가 무엇이었는지 기억하시나요? 제가 못 들은 것 같은데요. 그렇죠?

다시 말씀해 주시겠어요? 네. 치즈요. 예를 들어, 제가 며칠 전에 공원에 갔는데 치즈 한 조각을 봤다고 말한다면, 어떻게 하시겠어요?

보시는 바와 같이, 아동을 대상으로 뇌 영상 연구를 수행하려면 전문 기술이 필요하며, 성인 대상 연구에서 일반적으로 사용되는 절차 이상의 과정이 요구됩니다. 첫째, 아동의 머리 크기에 맞고 머리 움직임을 제한할 수 있도록 설계된 맞춤형 MEG 헬멧을 제작하였습니다. 둘째, 벽면 장식과 봉제 인형을 사용하여 연구실 환경을 아동 친화적으로 조성하였습니다.

본 연구팀은 어린 아이들의 필요와 동기 부여에 맞게 조정된 방법들을 적용합니다. 저희 실험실은 건강하고 깨어 있는 어린 아이들의 인지적 뇌 기능을 측정할 수 있도록 설계되었습니다. 따라서 요구 사항이 일반적인 소아 신경 영상 촬영에서 접하는 것과는 다소 차이가 있습니다.

소아용 MEG 시스템의 등장은 인지 신경과학 분야의 중요한 진전입니다. 이를 통해 뇌 기능의 매혹적이고 급격한 구조화가 일어나는 연령대의 뇌 기능 측정값을 얻을 수 있게 될 것입니다. 현재 우리는 이러한 발달 과정에 대해 알려진 바가 매우 적습니다.

우리는 MEG를 사용하여 어린이의 뇌 기능을 연구함으로써 이러한 공백을 메우고자 합니다.