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연구 논문에서 전문가들은 fMRI로 측정된 혈류량과 신경 활동 사이에는 일반적으로 유효한 상관관계가 없다고 주장

뇌 스캔 데이터가 체계적으로 오해되어 왔을까?
많은 fMRI 측정 데이터가 잘못 해석되었을 가능성

기능적 자기공명영상(fMRI)은 거의 30년 동안 인간의 뇌 활동에 대한 통찰력을 제공해 왔다. 그러나 새로운 연구에 따르면 뇌 연구자들은 이 데이터를 근본적으로 오해해 왔을 수 있다. "네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience)"에 발표된 이 연구 논문에서 전문가들은 fMRI로 측정된 혈류량과 신경 활동 사이에는 일반적으로 유효한 상관관계가 없다고 주장한다. 이는 뇌 연구에 어떤 의미를 가질까? 

▲ 뇌의 혈류는 신경 활동을 나타내는 지표일까? 아니면 그렇지 않을까? © MARHARYTA MARKO/GettyImages

기능적 자기공명영상(fMRI)은 인간의 뇌에서 발생하는 신호를 실시간으로 측정한다. 구체적으로는 뇌혈관의 혈류량을 측정한다. 지금까지 신경과학자들은 측정 신호가 강할수록 뇌 신경 활동이 활발하다고 가정해 왔다. 거의 30년 동안 그들은 이러한 간접적인 방식으로 연구 데이터를 해석해 왔다.

이러한 해석이 잘못된 것일까?

그러나 일부 동물 연구 결과는 이러한 해석에 의문을 제기하고 있다. 연구진은 기존의 fMRI 스캔 해석 방식이 부정확하거나 불완전할 수 있다는 가설을 검증하기 위해 연구를 진행했다. 프리드리히-알렉산더 대학교 에를랑겐-뉘른베르크(FAU)와 뮌헨 공과대학교의 사미라 엡(Samira Epp) 연구팀은 건강한 자원자 40명을 대상으로 다양한 과제를 수행하는 실험을 진행했다.

피험자들은 암산을 하거나 무언가를 암기하는 과제를 받았고, 엡 연구팀은 fMRI를 이용해 뇌의 여러 영역에서 활동을 측정했다. 동시에, 연구팀은 새로운 정량적 MRI 기법을 사용하여 해당 뇌 영역의 실제 산소 소비량을 최초로 측정했다.

혈류량 증가가 반드시 뇌 활동을 나타내는 것은 아니라는 사실이 밝혀졌다.
분석 결과, 놀라운 사실이 드러났다. 많은 경우, fMRI 혈류량 신호 증가는 오히려 산소 소비량 감소, 즉 뇌 활동 감소와 관련이 있었다. 반대로, 엡 연구팀은 실제로 신경 활동이 증가한 영역에서 fMRI 신호가 감소하는 현상도 발견했다. 과제와 조사 대상 뇌 영역에 따라 다양한 생리적 측정 결과가 나타났다.

약 40%의 경우에서 혈류와 산소 수치는 상관관계가 없거나 오히려 역상관 관계를 보였다. 예를 들어, 계산 활동 중에 활성화되는 뇌 영역에서는 산소 소비량이 증가했다. 그러나 정량적 MRI 데이터에 따르면, 이 산소는 혈류량 자체의 변화 없이 혈액에서 끌어다 쓴 것이었다. 이는 해당 뇌 영역들이 활성화되어 효율적으로 에너지 요구량을 충족하고 있지만, fMRI에서는 혈류량 증가로 나타나지 않는다는 것을 의미한다.

다수의 연구에 대한 재검토가 필요하다.

에프는 "이는 뇌 활동 증가가 산소 요구량 증가를 충족하기 위한 혈류량 증가를 항상 동반한다는 기존의 가정과 모순된다"며 "전 세계적으로 수만 건의 fMRI 연구가 이러한 가정에 기반하고 있기 때문에, 우리의 결과는 기존 연구들과 상반되는 해석을 초래할 수 있다"고 설명했다. 이는 대부분 연구 결과가 올바르게 해석되었을 가능성이 높지만, 뇌 질환 관련 연구를 포함하여 많은 연구가 잘못 해석되었을 수 있으며 재평가가 필요하다는 것을 의미한다.

"우울증부터 알츠하이머병까지 정신 질환이나 신경 질환에 대한 많은 fMRI 연구에서 혈류 변화를 신경 세포의 과활성화 또는 저활성화의 신뢰할 만한 신호로 해석해 왔다. 하지만 이러한 결과의 설명력이 제한적이기 때문에 이제는 재평가가 필요하다"고 FAU의 수석 저자인 발렌틴 리들(Valentin Riedl)은 말했다.

환자들이 오진되었을 가능성이 있다.

fMRI를 통해 신경 세포 결손이 감지된 환자들이 실제로는 아무런 결손이 없을 수도 있다. 오히려 혈관 변화가 존재하여 fMRI 데이터가 잘못 해석되었을 가능성이 있다고 리들 교수는 추측한다. 정확한 진단을 위해서는 이러한 환자들의 데이터를 재검토하거나 재측정해야 한다.

▲ 혈류량 증가가 반드시 뇌 활동을 나타내는 것은 아니라는 사실이 밝혀졌다.

연구팀의 결과는 특히 디폴트 모드 네트워크(DMN) 연구에서 오해석이 흔히 발생한다는 것을 시사한다. 이 휴식 상태 네트워크는 자기 성찰, 계획, 기억 등 다양한 기능뿐만 아니라 ADHD와 우울증에도 관여한다. 그러나 정확한 관계는 기존에 생각했던 것과 다를 수 있다.

새로운 뇌 지도 작성법 필요

에프와 그의 동료들은 향후 연구에서 기존의 fMRI 방식에 산소 흐름의 정량적 측정을 추가할 것을 제안한다. 혈액과 산소 흐름의 결합은 더 많은 데이터를 제공하고 더 신뢰할 수 있는 해석을 가능하게 할 것이다.

장기적으로 이러한 접근 방식은 새로운 뇌 모델 개발과 뇌 지도 제작으로 이어질 수 있다. 혈류 대신, 정보 처리에 실제로 필요한 산소와 에너지 소비량을 보여주는 뇌 지도가 만들어질 것이다. 이는 노화 과정, 정신 질환, 신경퇴행성 질환에 관한 새로운 연구를 가능하게 할 것이다.

참고: Nature Neuroscience, 2025; doi: 10.1038/s41593-025-02132-9
출처: 뮌헨 공과대학교, 프리드리히 알렉산더 에를랑겐-뉘른베르크 대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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