뇌과학 분야에서 이미징과 기술의 역사

아이와이어의 프로필 게임에서 뛰어난 기량을 보여준 플레이어들을 인정하기 위한 “업적(achievement)”이라는 항목을 운영하고 있습니다. 아래에서 배지에 대한 뒷이야기들을 읽으시거나 당신의 프로필을 열어 어떤 배지를 획득했는지 확인해 보세요. (1 부) 뇌과학은 초창기 “의사”들이 편두통 등을 치료하기 위해 살아있는 동료들의 두개골에 드릴로 구명을 뚫던 때부터 먼 길을 걸어왔습니다. 여기서 우리는 이미징과 기술의 역사에서 몇 가지 중요한 발전을 살펴보고자 합니다. 이러한 발명들은 아이와이어의 배지 업적을 만드는 데 영감을 주었습니다. — 어떤 것인지는 플레이를 통해 알아내 보세요!

1. 기원전 10,000년: 신석기 시대의 두부절제술

편두통, 발작, 정신질환. 이런 비극적 질병을 치료하기 위해 신석기 시대 조상들은 무엇을 해야 했을까요? 그들은 사람의 두개골에 드릴을 이용하거나 긁어서 구멍을 뚫었습니다. 현재의 관점에서 두부절제술은 야만적인 것 같지만, 인간이 농사와 가축 기르기를 막 시작했던 시기라는 점을 고려할 때, 어떤 식으로든 의학적 치료를 하려는 시도가 있었다는 사실은 참 대단합니다. 두부절제술은 르네상스 시대를 거쳐 계속되었습니다.

2. 기원전 600년: 그리스의 뼈 집게(Greek Ostagra)

당시의 삶은 힘들었습니다. 노동자가 콜로세움 같은 것을 건설하다가 돌이 맞아 두개골이 부숴졌다고 합시다. 의사는 아마도 뼈 집게(Ostagra)를 이용했을 것입니다. 그리스 에페소스의 의사였던 소라누스(Soranus)에 따르면 “골절된 뼈는 조각 상태로 제거해야 하며 가능하면 손가락을 이용하고 그렇지 않으면 뼈 집게를 사용한다”라고 했습니다.

3. 1500년대: 현미경

최초의 단순 광학 현미경(확대경)을 누가 처음 발명했는지는 누구도 정확하게 알지 못합니다. 그러나 위키피디아에서는 현미경의 역사에서 중요한 사건들을 깔끔하게정리한목록을 제공합니다. 자카리아스 얀센(Zacharias Janssen) 1590년에 최초로 복합 현미경을 만든 것으로 알려져 있습니다. 복합 현미경은 확대경과 비슷하지만, 대물과 접안의 두 가지 수렴렌즈 체계를 갖는다는 점에서 차이가 있습니다. 대물렌즈는 다른 배율 수준을 제공하며(현대의 현미경은 보통 4x, 10x, 40x 및 100x), 접안렌즈는 배율을 추가로 더 높여(오늘날은 보통 10x) 결과적으로 40x, 100x, 400x 및 1,000x 최종적 배율을 제공합니다. 복합 현미경은 보통 빛을 관찰 대상에 모아주는 역할을 하는 집광렌즈 역시 가지고 있으며 이것은 고배율에서 가장 유용합니다.

4. 1895년: 엑스레이

빌헬름 콘래드 뢴트겐(Wilhelm Conrad Rontgen)이 엑스레이를 발명했습니다. 그는 1901년에 이 놀라운 혁신으로 노벨 물리학상을 수상했습니다. (가 뢴트겐의 발명에 대한 멋진 이야기를 들려주고 있습니다. 그는 Wurzbur 대학(University of Wurzburg)에서 기체방전관(gas discharge tube) 내의 전자선(electron beams)에 대한 실험을 하는 도중 엑스레이를 발견했습니다. 그는 기체방전관이 켜졌을 때 실험실에 있던 형광 스크린이 빛나기 시작한다는 것을 알아챘습니다. 이것은 그를 놀라게 했는데, 기체방전관을 둘러싼 두꺼운 카드보드가 대부분의 방사선을 막을 것이라고 생각했었기 때문입니다. 또한 이는 엑스레이가 대부분 모든 물체를 통과한다는 것을 보여줍니다. 뢴트겐은 기체방전관과 스크린 사이에 이것저것 놓아보기 시작했지만 그 어떤 것도 스크린이 빛나는 것을 막을 수는 없었습니다. 결국 그는 손을 기체방전관과 스크린 사이에 넣어봤고 뼈의 형체가 스크린에 나타났습니다. 엑스레이는 놀라운 발견이었습니다. 처음으로 의사들은 조직을 통과해서 부러진 뼈 등을 볼 수 있게 되었습니다.

5. 1927년: 뇌혈관 조영술

우선 혈관 조영술(angiography)이란 무엇일까요? 용어 자체는 (혈관 등의) “관”을 뜻하는 그리스어 angeion과 “쓰거나 기록한다”는 뜻의 graphein에서 유래합니다. 이 영상 기술은 신체 내에 존재하는 혈관, 장기, 심장과 같은 내부 공간의 안쪽을 보는 데 사용됩니다. 혈관 조영술을 실시하는 동안 의사는 요오드를 포함한 색소를 혈액 내에 주입합니다. 이온화 방사선인 엑스레이를 통해 관찰될 때 색소가 빛을 내며 혈액이 흐르고 있는 곳의 영상 즉 혈관 조영상을 만들어 내게 됩니다. 뢴트겐의 엑스레이 발견이 없었다면 혈관 조영술은 가능할 수 없었을 것입니다. 에가스 모니즈(Egas Moniz)가 이 기술을 뇌에 적용한 최초의 인물로 뇌혈관 조영술을 발명했습니다. 이 혁신은 그에게 1949년 생리의학 부문 노벨상을 안겨주었습니다. 뇌혈관 조영술을 실시하는 동안 다리나 팔의 주요 동맥을 통해 카테터가 삽입되며 해당 부위로 이동하게 됩니다. 이때 색소가 주입되고 혈관들이 영상화될 수 있는 것입니다. 뇌의 경우 혈관 조영술은 동맥류(aneurysms) 를 탐지하거나 뇌졸중을 원인 부위에서 치료(하는 데 사용할 수 있습니다.

6. 1932년: 전자 현미경

전자 현미경의 중요성을 이해하기 위해서는 광학 현미경의 기본적인 작동 원리를 생각해 보는 것이 도움이 됩니다. 간단히 말하면, 빛은 물체에 의해 반사가 되며 렌즈에 의해 모아져 접안렌즈를 통해 관찰하고 있는 사람의 눈으로 들어오게 됩니다. 이러한 과정은 약 1,000x 또는 대략 1 미크론(micron)의 확대가 가능합니다(Scale of the Universe 참조). 그러나 만일 더 높은 해상도로 보거나 DNA 같은 나노 스케일의 작은 것을 관찰해야 한다면? 과학자들은 빛보다 짧은 파장을 가진 무언가를 이용해 최고 해상도의 영상을 만들어 낼 수 있다는 것을 깨닫기 시작했습니다. 그것은 바로 전자입니다. 현대의 전자 현미경은 .05nm 정도까지 영상화할 수 있으며 이는 가장 좋은 광학 현미경에 비해 약 4,000배 향상된 것입니다. 이러한 해상도는 육안에 비해 약 4백만 배 향상된 것입니다. 전자 현미경은 전자선을 조절하고, 또한 영상을 만들기 위해 전자선을 모으는 데 정전( 및 전자기(electromagnetic) 렌즈를 사용합니다. 이들 전자 광학 렌즈(들은 광학 현미경의 유리 렌즈와 유사한 것입니다. 위키피디아. 노벨상 수상자인 물리학자 어네스트 루스카(Ernst Ruska)와 전기 공학자인 맥스 놀(이 1932년에 전자 현미경을 공동 발명했습니다. FEI의 현미경에 대한 자세한 설명은 여기에서 확인하실 수 있습니다

7. 1952년: 자기공명영상(MRI)

대부분의 현대적 뇌과학 관련 영상기법들처럼, 자기공명영상 역시 뭔지 이해하기가 어렵습니다. 미국국립보건원웹사이트의설명이가장이해하기쉽습니다:

자기공명영상(MRI)은 인체의 자연적 자기적 성질을 이용해 신체의 어떤 부위든 자세한 영상을 만들어냅니다. 영상을 위해서 수소 핵(단일 양성자)이 사용되는 데 물과 지방에 풍부하기 때문입니다.

수소 양성자는 남, 북극을 갖고 축을 중심으로 돌고 있는 지구와 비교될 수 있습니다. 이러한 측면에서 그것은 하나의 작은 막대자석처럼 행동합니다. 일반적 상황에서 이들 수소 양성자 “막대 자석”들은 개별적 축이 무작위로 정렬된 채로 신체 내에서 회전하고 있습니다. 신체가 자기공명영상장치의 스캐너처럼 강력한 자기장에 놓이게 되면 양성자의 축들이 일제히 정렬하게 됩니다. 이러한 통일된 정렬로 인해 자기공명영상장치의 스캐너 축을 따라 정렬된 자기 벡터를 형성하게 됩니다. 자기공명영상 스캐너의 자기장 크기는 다양하며 보통 0.5 와 1.5 tesla입니다. 자기장에 추가적인 에너지가 (전파의 형태로) 더해지게 되면 자기장의 벡터가 방향이 바뀌게 됩니다. 수소 핵이 공명을 하게 만드는 전파 주파수는 대상 원소(이 경우 수소)와 자기장의 세기에 달려있습니다. 자기장의 세기는 일련의 구배 전기 코일(gradient electric coil)을 이용해 머리에서 발끝까지 전기적으로 변형될 수 있으며, 이러한 작은 증가를 통해 국소적인 자기장을 변화시킴으로써 서로 다른 주파수가 주어짐에 따라 서로 다른 신체의 절편들이 공명을 하게 될 것입니다. 주파수의 근원이 사라지게 되면 자기 벡터가 휴지 상태로 돌아오게 되며 이것이 신호(역시 전파)를 발산하게 합니다. 바로 이 신호가 자기공명영상을 만드는 데 사용되는 것입니다. 수화기 코일(Receiver coils)이 검사할 신체 부위 주위에 위치해, 발산되는 신호를 감지하는 것을 향상시켜주는 안테 역할을 하게 됩니다. 감지된 신호의 강도는 흑백의 점 형태로 그래프화되며 절단면의 영상이 만들어지게 됩니다. 우선 여기까지만 설명하겠습니다. 향후에는 보다 많은 전압 클램프(voltage clamp) 같은 전기 기술, 골지(Golgi) 염색 등의 염색법, 추가로 기능성 자기공명영상(fMRI)과 토모그래피(CAT)부터 핵자기공명(NMR)과 양전자 단층촬영(PET) 등에 대해 알아보겠습니다. 빛을 쬐어주면 활동전위(action potential)를 발생시키도록 유전자 조작을 통해 만들어진 신경세포 얘기는 아직 꺼내지도 못했습니다. 이 내용을 잘 이해할 수 있게 REM 수면싸이클을 취해 보십시오. 곧 보다 많은 신경관련 기술이 블로그에 올려질 것입니다. 오늘날 신경과학적 발견에 공헌하고 있는 10만 명의 사람들을 eyewire.org.에서 만나보세요!