서피스 기반의 형태 측정 기술을 이용한 인간 뇌 주름의 변화 분석

Abstract

인간의 대뇌 주름은 형태적으로 매우 복잡하고 개인 간 큰 차이를 보인다. 뇌 주름 패턴은 대뇌 피질의 발달 및 뇌 기능의 형성과 깊은 연관이 있고, 비정상적인 패턴은 뇌 기능의 이상을 반영할 수 있을 것으로 여겨지고 있다. 그러므로 뇌 주름 형태의 개인 간 차이를 정량적으로 측정하고 분석하는 것은 정상적인 대뇌 피질의 발달과 신경 정신학적 질병의 발현에 대한 원리를 이해하는 데 중요한 단서를 제공해 줄 수 있다. 이 연구에서는 자기 공명 영상 데이터로부터 뇌 주름 형태를 정량적으로 측정하여 정상인군에서 나이, 성별, 뇌의 크기에 따른 변화를 측정하였고 경도 인지 장애, 치매 환자 군에서 질병 효과에 따른 뇌 주름 형태의 비정상적 특징을 관찰하였다. 또한 뇌 기능 영역의 발달과 깊은 연관이 있을 것으로 여겨지는 초기 뇌 주름의 특정 영역을 자동적으로 검출하고 그들의 공간적 분포 및 좌, 우뇌 간의 비대칭성을 조사하였다. 복잡한 뇌 주름 형태를 정확히 반영하기 위하여 3차원 서피스 기반의 최신 기술을 이용하여 다양한 뇌 주름 측정치 (뇌 주름의 깊이, 복잡도, 너비)를 제안하였다. 이러한 다양한 측정치를 기반으로 젊은 성인 데이터에서 나이, 성별, 뇌의 크기가 뇌 주름 형태에 미치는 영향을 최적의 통계 모델을 이용하여 분석하였다. 분석 결과, 뇌의 크기가 증가함에 따라 뇌 주름의 복잡도가 급격히 증가함을 밝혀냈고, 그것은 뇌가 클 때 효율적인 뇌 연결성을 위하여 국소적 연결성이 상대적으로 발달하게 되고 그에 따른 백질 섬유의 인장력으로 인하여 주름의 형태가 복잡해 질 수 있다는 기존의 가설과 일치하는 결과이다. 게다가 남녀에 따른 뇌 주름 형태는 뇌 크기 효과에 의해 대부분 설명될 수 있다는 것을 처음으로 밝혀냈다. 질병 효과와 관련되어 경도 인지 장애와 치매 환자에서는 정상인에 비하여 더 얕고 넓은 뇌 주름이 보여졌고, 그러한 뇌 주름 형태 변화는 대뇌 피질의 두께와 뇌 이랑 백질 영역의 용적에 의해 주로 좌우된다는 것이 밝혀졌다. 회백질과 백질 영역의 용적과 뇌 주름의 형태간의 관계성을 밝히는 것은 올바른 임상적 해석을 가능케 한다. 측정치 가운데, 뇌 주름의 너비는 정상인과 경도 인지 장애 환자 간의 집단적 차이를 검출하는 데 있어서 가장 민감함을 보였고, 초기 치매 증상을 발견하는데 유용한 지표가 될 수 있을 것으로 예상된다. 초기 뇌 주름의 특정 영역을 기반으로 뇌 주름 변화를 관찰하기 위하여, 완전 자동적으로 뇌의 3차원 서피스 모델로부터 초기 주름 영역을 추출하였고 다수의 데이터를 이용하여 초기 주름 영역의 집단적 확률 지도를 작성하였다. 뇌 주름 형태는 개인 간 변화가 극심하지만, 상대적으로 초기 주름 영역은 개인 간의 위치적 차이가 적은 편이었고, 특정 위치에 집중되어 분포하였다. 여러 데이터에 걸쳐 일관적으로 같은 위치에서 보여지는 초기 주름 영역은 안정적인 해부학적 지표가 될 수 있을 것으로 생각된다. Superior temporal 주름 영역에서는 초기 주름 영역의 공간적 분포와 관련하여 통계적으로 유의미한 비대칭성이 보여졌고, 이것은 인간 뇌의 언어 기능에 관한 비대칭성과 깊은 관련성이 있을 것으로 여겨진다. 위와 같은 뇌 주름 형태의 연구는 뇌의 해부학적, 기능적 발달과 관련된 새로운 정보를 제공할 수 있다.; The pattern of sulcal and gyral folds in human brains exhibits structural complexity and large intersubject variability. The sulcal pattern has been considered to be related to the cortical development and functional organization, and it may reflect pathological functioning as specific abnormalities in the gyral and sulcal pattern have been observed. Therefore, quantifying and analyzing the shape variability of cortical sulci could provide important clues for characterizing the mechanisms of normal cortical development and deviations with neurological and neuropsychiatric disorders from normal. Our purpose was to quantify sulcal folding shape from human magnetic resonance imaging data, and investigate sulcal shape variability with relation to age, sex, and brain size in normal subjects, and Alzheimer’s disease (AD) and mild cognitive impairment (MCI). Furthermore, we observed the sulcal variability using sulcal landmarks which are thought to be the first cortical folds to develop and are closely related to functional areas, and analyzed their spatial distribution and hemispheric asymmetry. We suggested various sulcal measurements (sulcal depth, sulcal complexity and convolution, and sulcal widening) using sophisticated 3-D surface-based methods to show a detailed characterization of the folding shape. Using these measurements, we examined the effects of age, sex, and brain size on the sulcal shape and explained its variability in young normal adults with the most appropriate statistical model. As brain size increases, the degree of sulcal convolution increases dramatically, which is consistent with previous theoretical hypotheses that greater local clustering of interneuronal connections would be required in a larger brain, and fiber tension between local cortical areas would induce sulcal folding. Moreover, we firstly found that sex effects were mostly explained by brain size effects in cortical folding. Disease-related abnormal changes of the sulcal shape (wider and shallower shape) were detected in patients with MCI and AD compared to normal controls, and found to be primarily associated with decreased cortical thickness and gyral white matter volume, allowing proper biological and clinical interpretations. The sulcal widening measurement showed the highest sensitivity in revealing group differences between control and MCI, which could be useful for detecting early dementia. To understand the sulcal pattern variability using the sulcal landmarks, we automatically extracted the sulcal pits (the locally deepest regions of sulci) and generated a surface-based group map showing the intrinsic variability of the sulcal pits clustered in specific focal areas, with a relatively consistent pattern of spatial distribution between subjects. The sulcal pits with great spatial invariance appear to be useful as stable anatomical landmarks. We showed the most significant asymmetry in the frequency and spatial variance of sulcal pits in the superior temporal sulcus, which might be related to the lateralization of language function to the left hemisphere, developing more consistently and strongly than for the right. Our analyses of the sulcal shape variability in this dissertation provide additional insights concerning the anatomical and functional development of the brain.