“fMRI 신호 증가 40%는 실제 뇌 활동과 불일치”

기능적 자기공명영상법 fMRI는 뇌 신경 활동을 직접 측정하는 게 아니라 혈중 산소화 수준 의존 신호(blood oxygenation level-dependent signal, BOLD 신호)를 감지해 신경 활동이 활발한 부위를 특정하는 방법이다. fMRI는 다양한 연구에서 활용되고 있지만 새로운 연구에선 fMRI BOLD 신호 중 40%가 실제 뇌 활동과 일치하지 않는다는 결과가 보고됐다.

BOLD 신호에 기반해 신경 활동을 측정하는 fMRI는 신경세포가 활발해지면 산소 수요가 증가하고 이에 대응하기 위해 국소적으로 혈류가 증가한다는 가정에 기초하고 있다. 하지만 이 가정이 인간 대뇌피질 전체에서 일관되게 적용되는지는 명확하지 않다는 것이다.

이에 독일 뮌헨공과대학(TUM)과 프리드리히 알렉산더 대학교 에를랑겐-뉘른베르크(FAU) 연구팀은 40명 이상 건강한 피험자를 대상으로 실험을 진행했다.

피험자는 암산이나 자서전적 기억 회상 등 뇌 다양한 영역에서 예측 가능한 BOLD 신호 변화를 유발하는 것으로 알려진 과제를 수행했다. 그 동안 연구팀은 새로운 정량적 fMRI 기술을 사용해 피험자 뇌의 실제 산소 소비량을 측정했다.

실험 결과 과제와 뇌 영역에 따라 다양한 결과가 나타났다. 예를 들어 계산과 관련된 뇌 영역에서의 산소 소비량 증가는 예상되는 혈류 증가와 일치하지 않았다. 전체적으로 40%의 경우에서 BOLD 신호 증가가 뇌 활동 감소와 연관되어 있었으며 마찬가지로 뇌 활동이 높아진 부위에서 BOLD 신호의 감소가 관찰됐다고 보고됐다.

BOLD 신호와 뇌 활동의 불일치가 관찰된 영역에서는 혈액 공급량이 변화하지 않았다. 하지만 혈액에서 더 많은 산소를 추출해 추가적인 에너지 수요를 충족시키고 있었다는 것.

연구팀은 이는 뇌 활동 증가는 항상 산소 수요 증가에 대응하기 위해 혈류 증가를 동반한다는 오랜 가설에 반하는 것이라며 전 세계적으로 수만 건에 이르는 fMRI 연구가 이 가설에 기반하고 있기 때문에 이번 결과는 많은 연구에서 반대의 해석으로 이어질 가능성이 있다고 언급했다.

또 우울증부터 알츠하이머병에 이르기까지 정신질환이나 신경질환에 관한 많은 fMRI 연구에서는 혈류의 변화를 신경세포의 저활성화 또는 과활성화의 신뢰할 수 있는 지표로 해석하고 있다며 이런 측정법 유효성이 제한적이라는 점을 고려할 때 이들 연구는 재평가될 필요가 있다면서 그 중에서도 노화나 혈관질환 등으로 인한 혈관 변화를 가진 환자군에서는 측정값이 신경세포 기능 장애가 아니라 오히려 혈관계 차이를 반영하고 있을 수 있다고 밝혔다.

이 연구는 커뮤니티에서도 화제가 됐다. 전직 BMI 연구자는 신경 신호 측정 분야에서는 신호 대 잡음비(SN비)가 매우 나쁘며 많은 논문 결과가 재현 불가능했다고 언급하기도 했다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.