휴먼 커넥톰 프로젝트
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1. 개요
휴먼 커넥톰 프로젝트는 인간 뇌의 연결성을 매핑하고, 뇌 연결성과 행동 간의 관계를 연구하는 대규모 연구 프로젝트이다. 세인트루이스 워싱턴 대학교, 미네소타 대학교, 옥스퍼드 대학교 등을 중심으로 구성된 컨소시엄들이 참여하여, 향상된 MRI 장비를 활용하여 뇌의 구조적 및 기능적 연결을 분석한다. 이 프로젝트는 건강한 성인, 다양한 연령대, 그리고 알츠하이머병, 정신 질환 등 질병을 가진 사람들의 뇌 연결성을 연구하며, 수집된 데이터는 오픈 소스 플랫폼을 통해 공개되어 연구에 활용된다.
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| 휴먼 커넥톰 프로젝트 | |
|---|---|
| 휴먼 커넥톰 프로젝트 | |
 | |
| 분야 | 신경과학, 뇌과학 |
| 목표 | 인간 뇌의 신경 연결 완전 지도 작성 |
| 시작 연도 | 2009년 |
| 종료 연도 | 2016년 (1단계), 2019년 (2단계) |
| 자금 지원 | 미국 국립 보건원(NIH) |
| 프로젝트 리더 | 데이비드 반 에센 카밀라 울프 |
| 관련 연구 | 청소년 뇌 인지 발달 연구(ABCD 연구) Lifespan Human Connectome Project in Aging Developing Human Connectome Project(dHCP) Human Connectome Project for Early Psychosis(HCP-EP) |
| 상세 정보 | |
| 방법론 | 확산 자기 공명 영상 (dMRI) 기능적 자기 공명 영상 (fMRI) 뇌파 기록 (EEG) 자기 뇌파 기록 (MEG) 행동 평가 유전체학 |
| 데이터 공개 | 프로젝트 데이터를 연구 커뮤니티에 공개 |
| 중요성 | 인간 뇌의 구조와 기능에 대한 이해를 향상시키고 뇌 질환 연구에 기여 |
| 기타 | |
| 관련 기사 | 네이처: 인간 뇌, 전례 없는 상세 지도로 작성됨 |
2. 연구 컨소시엄
휴먼 커넥톰 프로젝트는 여러 연구 기관들의 협력을 통해 진행되고 있다. 주요 연구 컨소시엄은 다음과 같다.
- WU-Minn-Oxford 컨소시엄: 세인트루이스 워싱턴 대학교, 미네소타 대학교 자기공명연구센터, 옥스퍼드 대학교 등 9개 기관이 참여하여 고해상도 MRI 장비 및 영상 분석 기술을 개발하고, 대규모 뇌 연결성 데이터를 수집 및 분석한다.
- MGH/Harvard-UCLA 컨소시엄: 확산 MRI 기술을 최적화하여 뇌의 구조적 연결성을 고해상도로 영상화하는 데 주력한다. 이를 위해 마티노스 센터에 새로운 스캐너를 구축하여 연구를 진행하고 있다.
2. 1. WU-Minn-Oxford 컨소시엄
WU-Minn-Oxford 컨소시엄은 기존보다 훨씬 뛰어난 공간 해상도로 인간 뇌의 연결성을 매핑하기 위해 개선된 MRI 장비, 영상 획득 및 영상 분석 방법을 개발했다. 이를 통해 3T(테슬라) MRI 장비를 사용하여 300가족의 쌍둥이 및 형제자매 등 건강한 성인 1,200명에 대한 방대한 양의 MRI 및 행동 데이터를 수집했다.[2] 또한, 더 높은 공간 해상도로 이 집단의 184명의 피험자를 7T(테슬라)에서 스캔했다. 이 데이터는 각 개인의 뇌 부분 간의 해부학적 및 기능적 연결을 보여주기 위해 분석되고 있으며, 행동 검사 데이터와 관련될 것이다. 유전적으로 일란성 쌍둥이와 이란성 쌍둥이의 커넥톰과 유전 데이터를 비교하여 뇌 회로 형성에 대한 유전자와 환경의 상대적 기여도를 밝히고 관련 유전자 변이를 찾아낼 것이다. 이 맵은 또한 뇌 네트워크가 어떻게 구성되는지 밝혀줄 것이다.휴식 상태 fMRI 및 과제 기반 기능적 MRI, MEG 및 EEG, 확산 MRI를 포함한 비침습적 영상 기술의 조합을 사용하여 개별 뉴런을 매핑하는 대신 해부학적 및 기능적으로 뚜렷한 영역으로 나눌 수 있는 대규모 뇌 시스템 매핑인 매크로 규모에서 커넥톰을 매핑할 것이다.
이 프로젝트에는 9개 기관의 수십 명의 연구원들이 기여했다. 연구 기관은 다음과 같다.[2]
| 연구 기관 |
|---|
| 세인트루이스 워싱턴 대학교 |
| 미네소타 대학교 자기공명연구센터 |
| 옥스퍼드 대학교 |
| 세인트루이스 대학교 |
| 인디애나 대학교 |
| 키에티-페스카라 단눈치오 대학교 |
| 에른스트 스트룽만 연구소 |
| 워릭 대학교 첨단 MRI 기술 |
| 캘리포니아 대학교 버클리 |
이 연구에서 얻은 데이터는 오픈 소스 웹 접근 가능한 신경정보학 플랫폼에서 공개적으로 사용할 수 있다.[3][4]
2. 2. MGH/Harvard-UCLA 컨소시엄
MGH/하버드-UCLA 컨소시엄은 확산 MRI를 사용하여 뇌의 구조적 연결을 영상화하기 위해 MRI 기술을 최적화하는 데 주력하며, 공간 해상도, 품질 및 속도를 향상시키는 것을 목표로 한다. 두 프로젝트 모두에서 사용되는 확산 MRI는 물의 움직임을 추적하여 뇌의 섬유질 장거리 연결을 매핑한다. 서로 다른 유형의 세포에서 물의 확산 패턴을 통해 다양한 유형의 조직을 감지할 수 있다. 이 영상 방법을 사용하면 백색질이라고 하는 뉴런의 긴 연장 부위를 선명하게 볼 수 있다.[1][5]이 프로젝트를 위해 MGH 마티노스 센터에 구축된 새로운 스캐너는 "기존 시스템보다 4~8배 강력하여 이전에 가능했던 것보다 더 높은 감도로 인간 신경 해부학을 영상화할 수 있다."[1] 이 스캐너는 최대 300 mT/m의 기울기 세기와 200 T/m/s의 슬루율을 가지며, b-값은 최대 20,000 s/mm^2까지 테스트되었다. 비교를 위해, 표준 기울기 코일은 45 mT/m이다.[6][7][8]
3. 행동 측정 및 평가
뇌 연결성과 행동 간의 관계를 더 잘 이해하기 위해, 휴먼 커넥톰 프로젝트는 광범위한 인간 기능을 평가하는 신뢰할 수 있고 잘 검증된 측정 도구를 사용할 것이다. 이 도구의 핵심은 신경 및 행동 기능 평가를 위해 NIH 툴박스에서 개발한 도구 및 방법이다.[9]
4. 연구 분야
휴먼 커넥톰 프로젝트는 대규모 연구팀으로 성장했으며, 이들은 프로젝트에서 개발된 뇌 스캔 방식을 활용한다.[10] 연구는 대개 많은 참가자들의 뇌를 여러 각도에서 스캔하고, 각 참가자의 뇌 구조 위치를 주의 깊게 문서화하는 방식으로 이루어진다.[11] 휴먼 커넥톰 프로젝트와 관련된 연구는 현재 커넥톰 조정 시설에서 목록화되어 있으며, 다음 세 가지 범주로 나뉜다.
- 건강한 성인 커넥톰
- 수명 커넥톰 데이터
- 인간 질병 관련 커넥톰
각 범주 아래에는 특정 질문에 대해 연구하는 연구 그룹이 있다.
4. 1. 건강한 성인 커넥톰
WU-Minn-Oxford 컨소시엄은 개선된 MRI 장비, 영상 획득 및 분석 방법을 통해 건강한 성인 1,200명(300가족의 쌍둥이 및 형제자매 포함)의 MRI 및 행동 데이터를 3T(테슬라) MRI 장비로 수집했다.[2] 또한, 이 집단 중 184명의 피험자를 대상으로 7T(테슬라)에서 더 높은 공간 해상도로 스캔했다. 이 데이터는 개인별 뇌 부분 간의 해부학적 및 기능적 연결을 보여주기 위해 분석되며, 행동 검사 데이터와 연관될 것이다. 일란성 쌍둥이와 이란성 쌍둥이의 커넥톰 및 유전 데이터를 비교하여 뇌 회로 형성에 대한 유전자와 환경의 상대적 기여도를 밝히고, 관련 유전자 변이를 찾아낼 것이다.휴먼 커넥톰 프로젝트는 1,100명의 건강한 젊은 성인의 뇌 연결 데이터를 공개했다.[13] 과학자들은 이 데이터를 뇌의 어떤 영역이 서로 통신하는지에 대한 이론을 뒷받침하는 데 사용했다.[14] 예를 들어, 한 연구에서는 이 데이터를 사용하여 감정 처리에 필수적인 편도체가 감각 정보를 받고 운동을 계획하는 뇌 부분과 연결됨을 보여주었다.[15] 또 다른 연구에서는 불안하거나 우울한 기분을 더 자주 경험하는 건강한 사람들은 편도체와 주의력 관련 뇌 영역 간의 연결이 적다는 것을 보여주었다.
4. 2. 생애주기 커넥톰 데이터
휴먼 커넥톰 프로젝트와 관련된 연구 중에는 유아기, 아동기, 청소년기, 노년기 등 생애주기에 걸친 정상적인 뇌 연결성 데이터를 수집하는 것을 목표로 하는 4개의 연구 그룹이 있다. 이 연구 그룹들의 데이터는 휴먼 커넥톰 프로젝트의 젊은 성인 연구 데이터와 같은 방식으로 사용될 것이다.[16]4. 3. 질병 관련 커넥톰
휴먼 커넥톰 프로젝트에는 14개의 연구 그룹이 참여하여 특정 질병이 진행됨에 따라 뇌 연결이 어떻게 변화하는지 조사한다. 이 중 4개 그룹은 알츠하이머병 또는 치매에 초점을 맞춘다. 알츠하이머병과 치매는 노화와 함께 시작되며, 기억 상실과 인지 장애가 주요 증상이다. 알츠하이머병은 특정 원인에 의해 발생하는 질병으로 간주되지만, 치매는 다양한 원인으로 나타나는 증상을 통칭한다. 2개 그룹은 시력 손상 질환이 뇌 연결성에 미치는 영향을 연구한다. 4개 그룹은 비정상적인 감정 조절을 유발하는 정신 질환인 불안 장애 및 주요 우울 장애를 연구한다. 2개 그룹은 정신병의 영향을 연구하는데, 정신병은 현실 인식에 이상이 생기는 일부 정신 질환의 증상이다. 1개 그룹은 발작을 특징으로 하는 간질을 연구하며, 다른 1개 그룹은 일부 정신 질환 발병률이 높은 아미쉬 사람들의 뇌 연결을 조사한다.[17]질병에 따라 뇌 연결이 어떻게 변화하는지에 대한 이론은 이미 제시되었지만, 대부분 건강한 사람들의 데이터를 기반으로 한다.[15] 예를 들어, 건강한 사람의 뇌 분석 결과, 불안 장애 및 우울증 환자는 감정 중추와 주의력 조절 영역 간의 연결성이 낮다는 이론이 제기되었다. 연구자들은 질병을 가진 사람들의 데이터를 수집하여 뇌 연결 변화에 대한 더 명확한 정보를 얻고자 한다.
5. 현황
휴먼 커넥톰 프로젝트는 대규모 연구팀으로 성장했으며, 이 팀들은 프로젝트에서 개발된 뇌 스캔 방식을 활용한다.[10] 연구는 대개 대규모 참가자 그룹을 사용하고, 참가자 뇌의 여러 각도를 스캔하며, 각 참가자의 뇌 구조 위치를 주의 깊게 문서화하는 것을 포함한다.[11] 휴먼 커넥톰 프로젝트와 관련된 연구는 현재 커넥톰 조정 시설에서 목록화되어 있다. 연구는 건강한 성인 커넥톰, 수명 커넥톰 데이터, 인간 질병 관련 커넥톰의 세 가지 범주로 나뉜다. 각 범주 아래에는 특정 질문에 대해 연구하는 연구 그룹이 있다.
프로젝트는 아직 공식적으로 완료 선언되지 않았다.
참조
[1]
논문
Human brain mapped in unprecedented detail
[2]
웹사이트
$40 Million Awarded to Trace Human Brain's Connections
http://www.nimh.nih.[...]
NIMH
2010-09-15
[3]
웹사이트
Connectome - Homepage
https://www.humancon[...]
[4]
웹사이트
ConnectomeDB
https://db.humanconn[...]
[5]
논문
MGH-USC Human Connectome Project datasets with ultra-high b-value diffusion MRI
2016-01-01
[6]
간행물
Improving SNR in high b-value diffusion imaging using Gmax = 300 mT/m human gradients
[7]
웹사이트
About the Center
http://www.nmr.mgh.h[...]
2019-03-22
[8]
논문
Investigating the capability to resolve complex white matter structures with high b-value diffusion magnetic resonance imaging on the MGH-USC Connectom scanner
2014-11-21
[9]
웹사이트
Components of the Human Connectome Project - Behavioral Testing - Connectome
http://humanconnecto[...]
2013-03-08
[10]
논문
The Human Connectome Project's neuroimaging approach
[11]
웹사이트
Connectome - Homepage
https://www.humancon[...]
2017-11-28
[12]
웹사이트
HCP Young Adult - Connectome - Publications
https://www.humancon[...]
2017-11-29
[13]
웹사이트
Publications | Human Connectome Project
http://www.humanconn[...]
2016-03-03
[14]
논문
Functional connectivity in amygdalar-sensory/(pre)motor networks at rest: New evidence from the Human Connectome Project
[15]
논문
White matter integrity in brain networks relevant to anxiety and depression: Evidence from the human connectome project dataset
https://biblio.ugent[...]
[16]
웹사이트
Connectome - HCP Lifespan Studies
https://www.humancon[...]
2017-12-13
[17]
웹사이트
Connectome - Human Connectome Studies Related To Disease
https://www.humancon[...]
2017-12-13
[18]
논문
Resting-state fMRI in the Human Connectome Project
[19]
논문
Hand classification of fMRI ICA noise components
[20]
논문
Automatic denoising of functional MRI data: Combining independent component analysis and hierarchical fusion of classifiers
[21]
웹인용
여성 뇌가 남성보다 ‘4년’ 더 젊어 – Sciencetimes
https://www.sciencet[...]
2019-07-19
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