인지심리 매니아

출처: Neuroskeptic

번역: 인지심리 매니아

fMRI 스캔만으로 당신의 나이를 알 수 있다

당신은 얼마나 성숙한 사람인가? 만약 5분 동안의 뇌스캔을 통해 당신의 뇌연령을 알 수 있다면 할 의향이 있는가? 이제는 실현가능한 이야기다. Science 저녈에 실린 Prediction of Individual Brain Maturity Using fMRI.이라는 논문에서 이 문제를 연구했다.
이 연구는 support vector machine(SVM)이라는 방법을 잘 활용한 예에 속할 것이다. 이 방법은 내가 예전에 올렸던 "the brain scan to diagnose autism"이라는 제목의 글에서 소개한 바 있다.

이번 연구는 어린이, 청소년, 성인의 뇌영상 자료와 실제 연령이 input data가 되었다. SVM은 이 자료를 통해 참가자의 나이와 뇌의 복잡한 파라미터간 관계에서 패턴을 찾아내게 된다.

이 실험은 resting state(휴지기) functional connectivity fMRI를 통해 측정을 했다. 이 방법은 fMRI 통 속에서 참가자가 누워 있는 동안(쉬고 있는, 즉 휴지기) 뇌의 다른 부위가 동시에 활성화되거나 비활성화되는 정도를 알아본다. 만약 두 부위 간 강한 연결이 있다면 우리는 '그 두 부위가 서로 의사소통을 하고 있다'라고 추측할 수 있다. 물론 필연적으로 그런 것은 아니지만 말이다.

이 방법은 잘 먹힌 것 같다.

SVM 은 resting state scan을 통해서 7세에서 30세까지로 구성된 참가자 238명의 나이를  거의 완벽하게 예측했다. 이 그래프는 실제 나이와 예측한 나이(연구자들은 이 종속변수를 fcMI라고 부른다)를 비교한 결과다. 굉장히 강한 상관관계가 있음을 알 수 있다. R square=0.55

연구자들은 다른 데이터도 살펴보기로 했다. 하나는 휴지기를 측정한 데이터지만 그다지 약하지 않은 파워(테슬라라고 한다)에서 실시했다(1.5T VS 3.0T). 다른 하나는 원래 휴지기를 측정할 목적이 아니었지만 우연히 휴지기 자료가 포함된 데이터였다(n=186). 이 자료들이 실험으로부터 얻어낸 자료와 다름에도 불구하고 SVM은 연령을 꽤 잘 예측했다. r square가 0.5를 상회했다.

연구의 함의

이 연구가 어떤 값어치가 있을까? 글세, 좋은 질문이다. 어찌 보면 대답이 너무 간단할 있다. 뭐, 친구들의 뇌를 검사해봐서, 너의 뇌연령을 12세 정도 된다고 설명해 주는 데 쓰일 수 있을 것이다.

하 지만, 가만히 생각해보면 이것이 결국 아무것도 말해주지 않음을 알 수 있다. 우리는 이미 친구들의 뇌연령을 알고 있다. 우리는 그 친구의 나이를 알고 있기 때문이다. 당신의 뇌연령은 당신의 나이와 같다. 위 실험의 데이터는 일부 참가자가 자신의 나이보다 훨씬 성숙한 뇌연령을 가진 경우가 있을지 궁금증을 유발한다. 하지만 이 가정은 사실이 아닐수도 있다. 그러니 우리는 잠자고 지켜봐야 할 것이다.

이 연구가 뇌에 대한 이해에 어떤 도움을 줄 수 있을까? SVM은 복잡한 데이터에서 비선형적 상관관계를 찾아내는 강력한 수학도구다. 하지만 단순히 데이터에 SVM을 적용한다고 해서 우리가 거기서 무언가를 얻을 수 있다는 것은 아니다. SVM은 어디까지나 기계 학습 알고리즘이다. 이 알고리즘에 의해 데이터를 분석한 결과를 그냥 받아들이는 것은 '이해 없는 과학'이 될 위험성을 안고 있다. 나는 지난 포스트에서 이 문제에 대해 언급한 적이 있다.

사 실 이 연구자들은 이 문제에 대해 잘 알고 있었고, 실험 결과는 꽤 깔끔한 편이었다. 그들은 인간이 나이를 먹어감에 따라, 뇌의 넓은 영역에서의 기능적 연결은 강해지는 반면, 좁은 영역에서 뇌 부위간 상호작용은 약해지는 것을 발견했다. 따라서 이런 지역적 disconnection은 노화를 예측하는 신뢰성 있는 지표가 되는 것이다.

위 사진을 보면 알 수 있다. long connection은 점점 강해지고(오렌지색) short connection은 점점 약해지고 있다(녹색). 이는 뇌 전체에 걸쳐서 관찰할 수 있는 현상이다.

뭐라고 비유해야 할까. 마치 어릴적에는 옆집 사는 친구와 같이 놀다가, 커서는 수천 마일 떨어진 곳에 사는 사람과 인터넷으로 대화를 하면서도 정작 이웃과는 한마디도 안 하는 그런 상황에 비유한다면 맞을까?

Link: Also blogged about here.

Dosenbach NU, Nardos B, Cohen AL, Fair DA, Power JD, Church JA, Nelson SM, Wig GS, Vogel AC, Lessov-Schlaggar CN, Barnes KA, Dubis JW, Feczko E, Coalson RS, Pruett JR Jr, Barch DM, Petersen SE, & Schlaggar BL (2010). Prediction of individual brain maturity using fMRI. Science (New York, N.Y.), 329 (5997), 1358-61 PMID: 20829489