In this dissertation, we explored about decodability of human brain activity non-invasively measured with fMRI signals. Recent brain decoding paradigms have mostly been used for well-known visual modalities. Therefore, we investigated the feasibility of decoding the brain signal from human motor cortex. First, we performed a simulation study to understand how orientation selectivity, a fundamental low-level visual feature, could be successfully decoded from human brain activity measured with fMRI. Such low-level visual features have a finer spatial scale than the resolution of fMRI. Therefore, we investigated how we could decode the orientation selectivity by modeling the functionally distributed map of neurons in primary visual cortex (V1) and characterizing the orientation tuning property. Second, we also performed a simulation study to understand how motor action is represented by spatially distributed patterns of fMRI response in primary motor cortex (M1) and to investigate the feasibility of decoding complex motor action using non-invasive fMRI. To this end, we modeled the functionally distributed map of neurons in M1 and characterizing the direction selectivity which is the basic functional property in M1. Third, we performed the real fMRI experiment to investigate whether fMRI responses from human motor cortex could be used to predict individual motor action. We performed decoding and reconstructing the arm movement direction. Encoding model was used to reconstruct unknown movement directions. Through a series of human brain decoding studies, we discussed the possibility of deciphering the brain activity in human motor cortex and discussed the feasibility of the non-invasive brain decoding techniques on Brain-machine Interface (BMI).
본 학위논문연구에서는 비침습적 뇌 신호 측정방법인 뇌기능 자기공명영상(fMRI)을 이용하여 사람의 사람의 뇌 신호 해독 가능성에 대한 일련의 연구를 수행하였다. 기존의 뇌 신호 해독 분야에서는 대부분 일반적으로 잘 알려진 사람의 시각피질에서의 뇌 신호를 해독하는 연구가 이루어지고 있다. 따라서 본 연구에서는 상대적으로 많은 연구가 이루어지고 있지 않은 사람의 운동피질에서의 뇌 신호로부터 움직임 방향에 대한 뇌 신호 해독 가능성에 대한 연구를 수행하였다. 첫 번째 실험에서는 일차시각피질(V1)에서 사람이 물체의 모양을 인지하는데 가장 중요한 특성 중 하나인 방위각도 선택성(orientation selectivity)이 신경단위보다 상대적으로 공간해상도가 큰 fMRI를 이용한 뇌 신호 해독이 어떻게 가능한지에 대한 논의를 위해 시각피질의 구조와 신경세포의 활성화 특성에 대한 모델링을 통한 모의실험을 수행하였다. 두 번째 연구에서는 시각영역에서 운동영역으로 확장하여, 일차운동피질의 구조와 운동신경 세포의 활성화 특성에 대한 모델링을 통한 모의실험을 통해, 운동피질에서의 뇌 신호 해독 가능성에 대해 논의 하였다. 마지막으로 실제 fMRI실험을 통해 피험자 실제 움직인 팔의 움직임 방향에 대한 뇌 신호 해독을 위해 개별 voxel들이 움직임 방향에 대한 활성화 반응 예측모델인 인코딩모델을 적용하여 실험적으로 주어진 방향자극 이외에 모르는 유사한 방향 자극에 대해서도 예측된 multi voxel들의 활성화 패턴을 통해 모르는 방향에 대한 재구현이 가능함을 보였다. 이러한 일련의 연구를 통해 사람의 운동피질에서 뇌 신호의 해독 가능성에 대한 논의와 비침습적 뇌 신호 측정을 통한 뇌-기계 인터페이스(BMI)로의 활용방안에 대한 전반적인 논의를 하였다.