The susceptibility or blood oxygenation level dependent (BOLD) effect can be exploited to provide activation maps of the human brain by MRI when performing various tasks, which is now known as functional MRI (fMRI). Study of basic aspects of the fMRI, we have studied following two fMRI application areas, namely, 1) acoustic effect and 2) acupuncture effect, respectively.
First, MR acoustic sound or noise due to gradient pulsings has been one of the problems in MRI, both in patient scanning as well as in many areas of psychiatric and neuroscience research, such as brain fMRI. Especially in brain fMRI, sound noise is one of the serious noise sources, which obscure the small signals obtainable from the subtle changes occurring in oxygenation status in the cortex and blood capillaries. Therefore, we have studied the effects of acoustic or sound noise arising in fMR imaging of the auditory, motor and visual cortices. The results show that the acoustical noise effects on motor and visual responses are opposite. That is, for the motor activity, it shows an increased total motor activation while for the visual stimulation, corresponding (visual) cortical activity has diminished substantially when the subject is exposed to a loud acoustic sound. Although the current observations are preliminary and require more experimental confirmation, it appears that the observed acoustic-noise effects on brain functions, such as in the motor and visual cortices, are new observations and could have significant consequences in data observation and interpretation in future fMRI studies.
Secondly, another application of fMRI is to study on acupuncture effect. A preliminary study of the correlation between acupuncture points (acupoints) for the treatment of eye disorders suggested by ancient Oriental literature and the corresponding brain localization for vision described by Western medicine was performed using functional MRI. The Vision-related Acupoint ($BL_67$) is located in the lateral aspect of the foot, and when acupuncture stimulation is performed there, activation of occipital lobes is seen by fMRI. Stimulation of the eye directly using light results in similar activation in the occipital lobes by fMRI. The experiment was conducted using conventional checker board 8Hz light flash stimulation of the eye and observation of the time course data. This was followed by stimulation of the vision-related acupoint ($BL_67$) using the same time course paradigm as visual light stimulation. Results obtained with 12 volunteers yielded very clean data and very close correlations between visual and acupuncture stimulation. We have also stimulated non-acupoints 2 to 5 cm away from the vision-related acupoints on the foot as a control and activation in the occipital lobes was not observed. The results obtained are the first report in the literature to demonstrate the correlation between activation of specific areas of brain cortices and corresponding acupoint stimulation predicted by ancient acupuncture literature.
Study is then extended to other parts of the brain, e.g., in the areas of cerebellum. For this purpose, a whole-brain multi-slice simultaneous acquisition acupuncture stimulated fMRI is performed and compared with fMRI of visual stimulation using EPI technique, thereby observing the entire brain including visual and somatosensory cortex as well as cerebellum. It is an attempt to correlate the activation responses of the cerebellum and the visual cortex due to acupuncture stimuli. The previously studied visual acupoint is chosen while another acupoint ($SP_1$) point is selected for the non-visual acupoint. The former ($BL_67$) is believed to treat eye disorders while the later ($SP_1$) has been used for disorders involving the spleen. Results obtained using the multi-slice EPI sequence yielded very close correlation data between visual cortex activation and acupuncture stimulation of acupoint $BL_67$ but no correlation between visual cortex activation and acupuncture stimulation of $SP_1$. Results show cortical activation of the cerebellum, however, when the acupoint stimulation is applied to both the vision-related acupoint ($BL_67$) and the other acupoint ($SP_1$) which has no relation to the vision. Common to both acupoint stimuli is the accompanying physical pain. This result may be due to the pain-related changes of muscle spindles or tendon organs of the extremities related to the acupoints. This demonstrates the correlation between activation of a specific area of brain cortex such as the visual cortex as well as the cerebellum and corresponding acupoint stimuli which cause pain.
뇌의 기능적 MR영상은 자화율 효과 혹은 BOLD 효과를 이용하여 뇌의 부위별 고유한 기능을 영상으로 표현하는 것이다. 그러나 경사 자계 펄스에 의한 MR 소음은 환자의 촬영뿐만 아니라 뇌기능 영상과 같은 신경 과학 영상에도 문제점 중의 하나였다. 특히 뇌기능 영상에서 소음은 피질과 혈관의 산소량의 변화로부터 생기는 작은 신호의 변화에 영향을 미치는 심각한 잡음 중의 하나였다. 본 연구에서는 청각, 운동, 및 시각 피질에서 소음이 뇌기능 영상에 미치는 영향을 알아 보고자 하였다. 그 결과 소음이 운동과 시각 피질에 미치는 영향은 서로 반대였다. 즉, 운동 피질에서는 소음이 총반응을 증가 시켰고, 반대로 시각 피질에서는 소음이 총반응을 감소 시켰다. 현재의 연구가 시작 단계에 있고, 앞으로 더 많은 실험적 검증이 필요한 실정이나, 소음이 운동과 시각 피질의 뇌기능 영상에 미치는 영향에 관한 첫번째 보고이며, 이 결과는 앞으로 뇌기능 연구의 데이타 해석에 기초 자료로 이용될 수 있을 것이다.
MR 뇌기능 영상의 응용의 한 방편으로 침술의 효과에 대해 연구 하였다. 오랜 기간 축적된 임상 경험을 통해 얻어진 동양의 침술은 신체의 각 장기와 신체 각 부분이 서로 연결이 되어있다고 여겨져 왔으며, 따라서 이러한 침점의 자극으로 그곳과 연결되는 장기와 신체의 각 부분을 치료하여 왔다. 또 한편으로는 현재 신체 각 부분을 담당하고 있는 뇌의 영역을 MRI를 이용하여 뇌 기능 영상법으로 얻는데 성공하고 있으므로, 이 방법을 통해서 경혈과 직접 연계되는 뇌의 해당 부분의 지도를 얻는 연구를 시도하였다. 12경락중 하나인 足太陽 膀胱經 (족태양 방광경)의 경혈(침점)들 중에서 至陰穴(지음혈, $BL_67$)은 직접 눈의 치료에 이용되고 있는 경혈임을 감안, 시각 자극 실험과의 상관 관계를 실험하였다. 먼저 실제 불빛을 비춰 줌으로써 "시각피질"에서의 혈류와 산소의 변화량을 측정하였고, 다음으로 $BL_67$ 침점에 침을 통해 자극 하였다. 침점의 자극에 의한 시각피질에서의 산소와 혈류 변화가 실제적으로 $BL_67$의 자극으로 일어난 것인가를 확인하는 비교 실험으로 침점이 아닌 부분의 자극으로도 뇌피질의 변화를 보았으나 이때에는 아무런 변화도 관찰할 수 없었다. $BL_67$ 자극시, 12명의 모든 실험자들에게서 시각피질의 산소 및 혈류의 변화를 볼 수 있어 $BL_67$이 시각 피질에 관여되어 있음을 보여주고 있다. 이러한 결과는 현대 중추 신경학적으로는 쉽게 설명하기 힘든 새로운 결과로서 앞으로 중추신경 전달체계의 연구에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다.
다음으로 침을 자극 하면서 뇌의 모든 부위를 관찰하는 실험을 하였다. 이 연구는 EPI 기법을 사용하여 시각피질뿐만 아니라 소뇌, 감각피질등, 뇌의 전부분을 포함 시켰다. 앞선 실험에 사용된 $BL_67$과 또 다른 침점으로, 시각과 관련이 없는 $SP_1$이 사용되었다. 그 결과 $BL_67$은 시각피질과 깊은 관계가 있었지만, $SP_1$은 시각피질과는 무관한 반응을 보였다. 그렇지만 $BL_67, SP_1$ 모두 침으로 자극을 가할 때 소뇌에서 반응을 보였다. 이것은 통증에 의해서 근육이 일시적으로 수축 또는 긴장함으로써 나타나는 반응이라고 예상 한다. 이상과 같이 본 연구에서는 "침술"과 "뇌 기능" 관계를 실험적으로 밝혀 냄으로써, 동양 의학의 신비인 "침술"과 현대 의학의 첨단 과학인 "MRI 뇌 기능" 영상 기법을 접목시켜 정량적인 결과를 얻었다. 따라서 본 연구는 아직까지 과학적인 방법과 실험적인 증명을 통한 학문적 규명에서 서양 의학에 뒤떨어져 있던 동의학을 실험적 결과를 가지고 이론을 정립할 수 있게 됨으로써 앞으로 동양의학의 발전에 새로운 전기를 마련하게 될 것이다.
