뇌과학 (Brain Science)

뇌과학 (Brain Science)

 

뇌과학 (腦科學, brain science)은 건강한 뇌는 어떻게 정상적으로 작동하는지, 지적 능력이 어떻게 기대 이상의 통찰력을 만들어 내는지 등의 물음에 답을 구하려는 학문이다. 뇌의 복합적인 기능과 구조에 대한 해석을 통해 인간이 가진 가능성의 한계에 대해 답을 구하는 분야이다.

 

브레인 디코딩

 

 

최근에는 뇌 연구의 한 분야로써 뇌를 직접 읽어내려는 시도가 이루어지고 있다. 우리가 어떤 사물을 보거나, 어떤 생각을 하거나, 또는 손이나 다리를 움직일 때 뇌의 신경세포들이 특정 활성 패턴을 보이게 되는데, 이러한 뇌 신경세포 활성 패턴들을 분석하여 뇌 신경세포 활성 패턴만으로 우리가 무엇을 보고 있는지, 어떤 생각을 하고 있는지, 어떤 움직임을 하려고 하는지를 알아내려는 시도이다. 이를 브레인 디코딩이라고 이름 붙일 수 있다. 브레인 디코딩은 뇌를 직접 읽어 컴퓨터나 로봇을 작동시키는 BCI (Brain-Computer Interface)를 위한 기술로 활용될 수 있으며, 트라우마와 같은 정신질환 치료에도 이용될 수 있다. 또한, 꿈을 외부 저장 매체에 기록하는 등 다양한 형태의 활용을 위한 연구도 진행되고 있다. 브레인 디코딩을 구현하기 위해서는 ‘뇌 신경세포 활성 패턴 측정 기술’, ‘뇌 신경세포 활성 패턴 측정 실험 프로토콜’, ‘뇌 신경세포 활성 패턴 분석 기술’, ‘브레인 디코딩 응용 기술’이 필요하다.

 

브레인 디코딩은 어디에 활용할 것이냐에 따라 확보해야 할 데이터의 종류와 수준, 확보 프로토콜 등이 달라질 수 있다. 또한, 뇌 신경세포 활성 패턴 측정 방법과 분석 방법도 달라질 수 있어, 앞서 말한 기술들이 서로 유기적으로 연관되어 개발되어야 한다. 뇌 신경세포의 활성패턴을 측정하는 것에는 다양한 방법이 있다.

 

신경세포 (Neuron)는 활성화되면 세포막을 통해 이온 전류를 만들어 세포 내부와 외부 사이에 전압 변화를 유발하며, 이때 미세한 신경 전류를 생성하게 된다. 전극을 이용한 침습적 방법은 이러한 신경 전류를 신경세포 바로 위에 바늘 모양의 전극을 꽂아 측정한 여러 개의 전극을 사용하여 수십에서 수백 개의 신경세포에서 발생하는 뇌의 전기신호를 정밀하게 관찰할 뿐만 아니라 신경세포에 직접 전기적인 자극을 줄 수 있어, 달팽이관 임플란트, 심장 페이스 메이커 등에 활용된다.

 

뇌파 (EEG: Electroencephalography)는 뇌 신경세포 사이에 신호가 전달될 때 생기는 전기의 흐름을 측정하는 것으로, 뇌의 활동 상황을 측정하는 중요한 지표이다. 주로 두피에 부착한 전극을 통해 측정하는데, 매우 복잡한 패턴으로 진동하는 파형형태를 보인다.

 

근적외선분광법 (NIRS: Near Infrared Spectroscopy)은 전자기 스펙트럼의 근적외선 영역을 사용하는 분광학 방법이다. 뇌의 특정 부분이 활성화되면 해당 영역에서 국소 혈액량이 빠르게 변화하게 되고, 산소 소비량의 변화가 나타나게 된다. 이러한 변화를 근적외선을 이용한 광학 이미징을 통해 혈액 헤모글로빈 수준을 지속해서 모니터링함으로써 뇌의 특정 영역의 활동을 측정할 수 있다.

 

fMRI는 혈류와 관련된 변화를 감지하여 뇌 활동을 영상으로 측정하는 방법이다. 뇌 영역이 활성화되면 그 영역으로 혈류가 증가하게 되는데, 이와 같이 뇌 혈류와 신경세포의 활성화가 연계되어 있다는 사실에 기반을 둔다. fMRI는 주로 BOLD (Blood-Oxygen-Level Dependent) 대비를 영상화하는데, BOLD는 뇌 세포의 에너지 사용과 관련된 혈류의 변화를 영상화하여 뇌의 활동을 지도화하는데 사용되는 뇌 스캔 유형이다.

 

광유전학 (Optogenetics)은 광학과 유전학을 결합한 기술로 빛으로 생체 조직의 세포들을 조절하는 것이다. 신경세포를 유전적으로 조작하여 빛에 반응하는 이온 채널을 발현시키고 빛을 이용해 신경 활동을 모니터링하고 조절한다. 특히, 개별 신경 세포들의 활동을 조절·관찰하고 신경 활동의 조절이 어떠한 효과를 유발하는지 실시간으로 확인할 수 있다.

 

https://www.etri.re.kr/webzine/20170915/sub04.html

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