Architecture of Brain

Brain은 크게 cerebral cortex(대뇌피질)과 sub-cortical regions(피질하부)로 구분된다고 합니다. Sub-cortical region의 경우 주로 기초대사운동을 관장하게 되는데, 숨쉬기, 심장박동, 온도조절, emotional response, 반사작용, learning과 memory등등이 그것들이죠. 또한 Celebral cortex의 경우 주로 sensory and motor processing을 관장하게 되는데 language processing이나 pattern recognition과 같은 high-level function을 지원한다고 합니다. 따라서 현재의 brain computer interface는 celebral cortex를 이용하고 있지요.

 

Cortex Mapping

Cerebral cortex는 left hemisphere(좌뇌)와 right hemisphere(우뇌)로 나뉘며, 이것들은 또 다시 영역별로 다양한 기능을 담당하게 됩니다. 다음 그림 1은 brodmann area라는 cortex map [1] 을 나타냅니다. 각각의 번호에 해당하는 영역이 하는 일은 http://en.wikipedia.org/wiki/Brodmann_area 에서 찾아볼 수 있는데, 뇌의 뒤쪽 부분은 visual 에 관련된 감각을 담당하는 것이 그런 일례일 것입니다(그림의 17,18,19번이 visual cortex입니다.).

Figure 1. Brodmann Area

 

Brain Imaging

사람의 뇌는 수백만의 neuron(신경세포)들로 이루어져 있는데, 이 각각의 neuron이 정보를 주고 받을 때 electrical signal, chemicals, blood flow 등이 오고 갑니다. 고등학교 시절에 배웠듯이 neuron의 synapse(시냅스)에서 화학적 성분이 여차저차하여 전기적 전위를 발생시키고, 이런 일련의 과정을 위해 oxygen(산소)과 glucose(글루코오즈)가 필요한데 이것은 blood flow의 증가를 가져온다.. 뭐 이런류의 내용이겠지요.. 여튼 뇌에 어떤 자극이 주어졌을 때 또는 뇌가 어떤 정보처리를 하고 있을 때, 뇌의 변화를 살펴보기 위해 다양한 방법으로 eletrric, chemical, blood flow의 change(변화량)을 image화 하여 볼 수 있습니다. 이것을 brain imaging technology라고 하지요. 주로 EEG, MEG, fMRI 등이 사용됩니다.

한가지 중요한 점은 현재 기술로는 이사람이 생각을 하고 있구나~ 정도는 알 수 있어도 이 사람이 무슨 생각을 하고 있는지를 알 수는 없다고 합니다. 아마도 이정도 수준을 detect가능케하는 temporal/spatial resolution을 가지는 측정법이 없는 것이 문제인 것 같네요. 다음 Figure 2는 여러 brain imaging technology의 비교표입니다[2]. EEG를 이용하면 시간적으로는 빠르게 측정이 가능한데 공간적인 resolution(분해능력)이 떨어지네요. MEG같은 경우는 공간분해능도 좋습니다만 장치가 너무 거대하고 비싸서… 각각의 장단점을 한눈에 보기 쉽게 잘 정리해 놓은 듯 합니다.

Figure 2. 여러 뇌기능 탐색 기법의 비교

 

Brain Imaging Techniques(BIT)

Figure 2에서 살펴보았듯이 BIT에는 다양한 방법이 있습니다. 이에 대해 잘 정리해 둔 자료가 있어서 가져왔습니다[3]. 바로 brain computer interface 라는 책의 chapter 1 appendix에 있는 표입니다. 각각의 방법은 뇌표면에서의 전기적 변화, 자기적 변화, 화학적 변화, 혈류량 변화, 산소량 변화 등을 이용한다고 나와있네요. 각 기법들의 장단점까지 자세히 나와 있습니다. 참고하세요.

 

 

 

 

References

[1] Brodmann Area from Wikepedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Brodmann_area

[2] 임창환, Human brain mapping강의자료 중에서, http://bem.yonsei.ac.kr/BioEST/Kor/lecture.html

[3] D. Tan and A. Nijholt, Brain Computer Interfaces : Applying our minds to human-computer interaction, Springer.

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