Various non-invasive brain imaging tools have been developed to directly detect the neuronal activity. However, electroencephalography (EEG) has limitation in spatial resolution and magnetoencephalography (MEG) has poor source localization problem. Functional MRI (fMRI) has been utilized for brain neural activity mapping due to higher spatial resolution, however, fMRI using blood oxygenation level dependent (BOLD) measures secondary hemodynamic response to infer neural activity. Many researchers have studied to diverse MRI techniques for directly detecting the neuronal activity such as stimulus-induced rotary saturation (SIRS) and spin-locked oscillatory excitation (SLOE). Although most of the techniques demonstrated significant detectability in phantom experiment, the possibility of detecting brain neuronal oscillation in vivo is still controversial over a decade.
In this study, we suggested a novel method, multiple TR approach, which extended from previous Two-TR approach. This approach could directly detect weak and fast oscillating magnetic fields without any signal synchronization through phantom experiments. By multi-phase acquisition and Fourier analysis, we demonstrated that the mean SNR at the oscillation frequency on the multiplied frequency spectra was remarkably enhanced with the higher number of TRs under almost the same scan time by the principle of amplifying oscillation frequency component while suppressing other noises. We also showed the targeting frequency on absolute frequency spectrum without a priori oscillation frequency information from multiple TR dataset with different time-to-repeat (TR) and could detect the weak and fast oscillating magnetic field (~1nT) through spatial mapping.
생체 내 신호인 뉴런의 활동을 직접적으로 측정할 수 있는 다양한 비침습적 뉴로이미징 방법들이 개발되어져 왔으나, 뇌전도는 공간적 해상도가 제한적이고 뇌자기도는 관측 범위가 제한적이며, 기능적 자기공명영상은 높은 공간해상도로 뇌 신호 매핑에 사용되고 있지만 직접적인 뉴런의 활동이 아닌 혈류역학적 반응에 의존하여 간접적으로 측정한다는 한계가 있다. 이와 같은 한계점들을 극복하기 위해 뉴런의 활동에 의한 전기신호를 직접적으로 측정할 수 있는 다양한 자기공명영상 기법들이 연구되어 타당성이 검증되었으나, 약하고 빠르게 진동하는 생체 내 뉴런 활동의 측정 가능성은 여전히 논란의 대상으로 남아있다.
본 연구에서는, 뉴런의 전기진동신호를 신호 동기화 없이 직접적으로 측정할 수 있는 기존의 2개 반복시간 접근법을 확장시킨 다중 반복시간 방법을 제안하였고, 뉴런진동 모사 실험을 통해 타당성을 입증하였다. 동적 다중위상기법과 푸리에 분석법을 적용하여 획득한 주파수 스펙트럼들을 반복적으로 곱하였을 때, 반복시간의 개수를 증가시킴에 따라 동일한 촬영 시간 하에서 진동 주파수의 크기는 뚜렷하게 증가하고, 잡음 주파수들은 억제되는 효과를 확인하였다. 또한, 반복시간이 서로 다른 동적 데이터를 조합하여 사전 정보없이 넓은 스펙트럼에서 진동 주파수를 확인할 수 있었으며, 공간적 매핑을 통해 약한 크기의 고속 진동 자기장을 직접적으로 검출할 수 있었다.
