Functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) is a noninvasive method to detect the task involved brain area. Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) effect yields a high spatial resolution, a few millimeters, in Echo Planar Imaging (EPI). Electrophysiology technique or Electroencephalography (EEG) is a direct method to record neural activity. FMRI BOLD contrast, however, is caused by the changes in blood flow and blood oxy-genation, which are believed to be increased near active neurons.
The different neuronal types results in the different fMRI BOLD signal patterns. Because each neuronal types cause different membrane potential, released neurotransmitter concentration, sodium inflow concentration in astrocyte, sodium pump rate in astrocyte, ATP consumption, oxygen consumption, and capillary blood volume change. Finally different fMRI BOLD signal is generated.
There are different neuronal types and rates in a voxel, so the measured fMRI BOLD signal can be assumed to be the summation of each neuronal effect. In this study, we gener-ate fMRI BOLD signal patterns according to the rate of neuronal types, and show the meaningful characteristic in the signals.
If we develop the fMBI BOLD signal characteristic map according to the neuronal types and rates, we can guess the activated neuronal types and rates in a voxel by measuring the fMRI BOLD signal.
뇌의 활동을 비침습적으로 관찰하기 위하여, 공간적 해상도가 뛰어난 기능적 자기공명 영상(functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)의 혈중 산소 농도 의존 신호(Blood Oxygenation Level Dependent Signal, BOLD Signal)가 널리 이용되고 있다. 그러나 전기생리학(Electrophysiology) 또는 뇌전도 (Electroencephalogram, EEG) 등이 신경세포의 전기적 활동전위를 직접 측정하는 반면에, fMRI BOLD 신호는 신경세포의 활동에 따른 혈류의 흐름을 간접적으로 측정하는 것이다. 또한 단위 부피 내 신경세포들의 활동 전위와 fMRI BOLD 신호 사이의 관계는 아직 명확히 밝혀지지 않은 상태이다.
따라서 대뇌피질의 신경세포의 종류에 따른, fMRI BOLD 신호의 변화를 계산하고, 발화하는 신경세포의 종류와 비율에 따라 fMRI BOLD 신호가 어떠한 특징을 갖는지 확인하였다. 우선, 서로 다른 신경세포는 동일한 입력 전류에 대하여 서로 상이한 막 전위를 나타낸다. 이러한 막 전위의 차이는 시냅스 이전 단에서의 칼슘 유입과 신경전달물질 촉진자의 방출에 차이를 나타낸다. 그리고 이러한 신경전달물질은 성상세포에서의 sodium 유입과 sodium pump 에 작용하며, ATP 를 ADP 로 변환하며 에너지를 얻는다. 소모된 ATP를 다시 생성하기 위하여, glucose 를 pyruvate 로 변환하는 당 분해 및 미토콘드리아 내에서 호흡사슬이 일어난다. 그리고 근처 혈관과 산소, glucose 및 lactate 교환이 일어난다. 모세혈관에서 근처 세포로 전달하는 산소의 양에 따라 oxyhemoglobin과 deoxyhemoglobin 의 농도 차이가 발생하게 되며, 시냅스 이전 단에서 방출되는 신경전달물질은 모세혈관의 부피를 변화시키는 작용을 한다. 최종적으로 fMRI BOLD 신호는 deoxyhemoglobin 의 농도와 모세혈관의 부피에 따라 결정이 된다.
이렇게 신경세포에 따라 결정된 fMRI BOLD 신호는 최대값 및 기울기에서 서로 상이한 특징을 나타낸다. 따라서, 신경세포의 종류 및 비율에 따라 특징적인 BOLD 신호를 얻을 수 있으며, 이러한 BOLD 신호를 분석하면 실제 voxel 내에 발화한 신경세포들을 유추할 수 있다.
