T2 relaxometry for myelin water fraction: an ex vivo brain imaging study

인간의 뇌는 수십억 개의 세포로 이루어진 거대하고 복잡한 풍경이지만, 그 구조의 상당 부분은 마이엘린(myelin)이라 불리는 지방질 물질에 의존합니다. 이 물질은 뇌의 통신선 주위를 감싸는 보호 피막 역할을 하는데, 이는 마치 전기 전선의 플라스틱 코팅과 같습니다. 이 절연체가 건강할 때는 신호가 빠르고 효율적으로 전달되지만, 다발성 경화증이나 알츠하이머병과 같은 질환에서 발생하는 것처럼 손상될 경우 통신이 무너집니다. 수십 년 동안 과학자들은 살아있는 사람의 내부에서 이 마이엘린을 직접 관찰하는 데 어려움을 겪어 왔습니다. 자기공명영상(MRI)이 뇌의 사진을 찍을 수는 있지만, 표준 스캔은 이 지방질 피복의 미세한 세부 사항을 흐릿하게 만드는 경우가 많습니다. 연구자들은 마이엘린 피막의 층 사이에 갇혀 있는 아주 적은 양의 물을 측정하려는 '마이엘린 워터 이미징(myelin water imaging)'이라는 특별한 기술을 개발했습니다. 이 특정 물의 양을 계산함으로써 마이엘린이 얼마나 존재하는지 추정할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 복잡하며, 매우 구체적이고 종종 구하기 어려운 장비를 필요로 합니다. 이러한 측정이 정확한지 확인하기 위해, 과학자들은 사람이 사망한 후 뇌 조직을 직접 관찰하는 '골드 스탠다드(gold standard)'를 통해 검증해야 합니다.

맥길 대학교와 더글러스 정신건강 대학교 연구소의 연구팀은 이 분야의 실질적인 문제를 해결하고자 했습니다. 그들은 널리 사용되는 MRI 시퀀스인 터보 스핀 에코(turbo spin echo)가, 모든 연구 센터에서 접근하기 어려운 더 전문적이고 빠른 시퀀스인 그래디언트-앤-스핀-에코(gradient-and-spin-echo)만큼 마이엘린을 잘 측정할 수 있는지 알고 싶었습니다. 이를 위해 그들은 살아있는 사람을 스캔하는 대신, 사망 후 포르말데히드 용액에 보존된 40개의 인간 뇌 반구를 대상으로 작업했습니다. 이 뇌들은 다양한 신경계 질환을 가진 개인 또는 아무런 질환이 없는 개인으로부터 온 것들입니다. 연구진은 이 보존된 뇌들을 강력한 MRI 스캐너에 넣고 두 가지 다른 유형의 스캔을 실행했습니다. 한 스캔은 약 7분이 소요되며 긴 일련의 신호를 포착하는 전문적인 그래디언트-앤-스핀-에코 방식을 사용했습니다. 다른 하나는 더 흔한 터보 스핀 에코 방식을 사용했으며, 약 10분이 소요되고 짧은 일련의 신호를 포착합니다. 목표는 더 짧고 흔한 스캔이 전문적인 스캔과 일치하는 결과를 낼 수 있는지, 그리고 전문적인 스캔이 애초에 그렇게 길어야만 하는지를 확인하는 것이었습니다.

연구진은 먼저 중요한 정보를 잃지 않고 전문적인 스캔을 단축할 수 있는지 확인했습니다. 그들은 32개의 서로 다른 신호 측정을 포함하는 전문 스캔의 전체 데이터를 가져와서, 처음 14개의 측정값만을 사용하여 수학적으로 지도를 재현했습니다. 그 결과는 거의 동일했습니다. 마이엘린 워터의 지도는 똑같아 보였고, 수치도 거의 구별할 수 없을 정도였습니다. 이는 보존된 뇌 조직의 경우, 매우 긴 스캔이 반드시 필요한 것은 아니며, 더 짧은 버전으로도 핵심 정보를 제공할 수 있음을 시사했습니다. 이는 연구자들이 시간을 절약하거나, 절약된 시간을 스캔의 다른 부분을 개선하는 데 사용할 수 있다는 점에서 중요한 발견입니다.

다음으로, 연구팀은 전문 스캔의 결과와 흔한 터보 스핀 에코 스캔의 결과를 비교했습니다. 그들은 두 방법 모두 매우 유사한 전체 패턴을 보이는 지도를 생성한다는 것을 발견했습니다. 마이엘린 함량이 높은 영역은 두 스캔 모두에서 높게 나타났고, 마이엘린 함량이 낮은 영역은 두 스캔 모두에서 낮게 나타났습니다. 그러나 수치는 정확히 일치하지 않았습니다. 전문 스캔은 공통적으로 일반 스캔보다 더 많은 양의 마이엘린 워터를 보고했습니다. 사실, 일반 스캔은 마이엘린 워터를 적게 보고하고 세포 사이의 공간에 있는 물을 더 많이 보고하는 경향이 있었습니다. 연구진은 두 기계가 단순히 다른 것을 측정하는 것이 아니라, 동일한 신호를 약간 다른 방식으로 분류하고 있다는 점을 깨달았습니다. 전문 기계는 마이엘린에 갇힌 아주 적은 양의 물을 주변의 물과 분리하는 데 더 뛰어났던 반면, 일반 기계는 그 분리 과정에서 다소 정밀도가 떨어졌습니다.

이러한 수치의 차이에도 불구하고, 두 방법은 강력하게 연결되어 있었습니다. 연구진은 일반 스캔의 결과를 알고 있다면 컴퓨터 모델을 사용하여 전문 스캔이 찾아냈을 결과를 높은 정확도로 예측할 수 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 일반 스캔의 마이엘린 수치뿐만 아니라 전체 신호 패턴을 활용하여 전문적인 결과를 추정하는 모델을 구축했습니다. 이 모델은 매우 잘 작동하여, 일반 스캔의 데이터만을 사용하여 전문 스캔의 상세한 지도를 성공적으로 재현해 냈습니다. 이는 비록 두 기계가 서로 다른 원시 수치를 제공하더라도, 그들이 담고 있는 정보는 깊이 연관되어 있다는 것을 의미합니다. 일반 기계를 사용하는 연구자라도 적절한 수학적 도구를 사용한다면 마이엘린 건강에 대한 매우 좋은 그림을 얻을 수 있습니다.

또한 이 연구는 뇌가 보존액에 머문 시간이 측정치에 어떤 영향을 미치는지 조사했습니다. 연구진은 뇌가 액체 속에 오래 머물수록 측정치가 더 많이 변한다는 것을 발견했습니다. 두 스캔 방식 모두 보존 시간이 길어짐에 따라 계산된 마이엘린 워터가 증가하는 모습을 보였습니다. 이것은 뇌가 마이엘린을 얻고 있다는 뜻이 아니라, 보존제에 의한 화학적 변화가 물의 행동을 변화시켜 실제보다 더 많은 마이엘린 워터가 있는 것처럼 보이게 만든 것입니다. 전문 스캔이 일반 스캔보다 이러한 변화에 약간 더 민감했지만, 두 방식 모두 동일한 경향을 보였습니다. 이는 보존된 뇌를 연구할 때, 사망 후 시간과 보존 시간은 숫자를 예측 가능한 방식으로 변화시킬 수 있는 중요한 요소임을 강조합니다.

궁극적으로, 이 연구는 사후 뇌의 절연체를 연구하기 위한 명확한 경로를 제시합니다. 이는 구하기 어려운 전문적인 스캔이 좋은 마이엘린 관찰을 위한 유일한 방법이 아님을 보여줍니다. 더 흔하고 널리 사용되는 스캔이 필수적인 패턴을 포착할 수 있으며, 현대적인 컴퓨터 모델의 도움을 받으면 전문적인 결과와 일치하도록 변환될 수 있습니다. 연구진은 두 방법이 조정 없이 서로 대체 가능한 것은 아니지만, 매우 깊이 연결되어 있다고 결론지었습니다. 일반 스캔은 전문적인 스캔의 열쇠를 쥐고 있으며, 이를 통해 과학자들은 희귀하고 값비싼 도구가 필요하다고 여겨졌던 수준의 상세함으로 뇌 구조를 연구하기 위해 더 접근하기 쉬운 장비를 사용할 수 있게 되었습니다. 이는 더 많은 실험실이 일관되고 비교 가능한 데이터를 사용하여 뇌 질환에 대한 이해에 기여할 수 있는 문을 열어줍니다.