MRI 신호의 40%가 실제 뇌 활동과 일치하지 않음

• 기능적 자기공명영상(fMRI) 이 뇌 활동을 측정하는 주요 도구로 사용되어 왔으나, 최근 연구는 그 해석의 정확성에 근본적 의문을 제기함
• 연구 결과, MRI로 측정된 산소 농도 변화와 실제 신경 활동 간에는 일반적으로 유효한 연관성이 없음이 확인됨
• 실험에서 fMRI 신호가 증가했음에도 뇌 활동은 감소한 경우가 약 40% , 반대로 신호가 감소했지만 활동이 증가한 경우도 관찰됨
• 뇌는 혈류량을 늘리지 않고 기존 혈액에서 산소를 더 효율적으로 추출함으로써 에너지 수요를 충족시키는 것으로 나타남
• 이러한 발견은 정신·신경 질환 연구의 해석 방식과 뇌 에너지 대사 기반 모델 개발에 중요한 전환점을 제시함

fMRI 신호 해석에 대한 기존 가정의 붕괴

• 약 30년간 fMRI는 뇌 연구의 핵심 도구로 사용되어 왔으나, TUM과 FAU 연구진은 그 해석이 실제 신경 활동을 반영하지 않을 수 있음을 입증
  • 연구는 Nature Neuroscience에 게재됨
  • MRI로 측정되는 산소 함량과 신경 활동 사이에 보편적 상관관계가 존재하지 않음이 확인됨
• 실험 결과, fMRI 신호 증가가 오히려 뇌 활동 감소와 연관된 경우가 약 40% 로 나타남
  • 반대로, 신호 감소가 활동 증가와 일치하는 경우도 발견됨
• 기존의 “활동 증가 → 혈류 증가 → 산소 수요 충족”이라는 가정이 잘못되었음이 드러남

실험 설계와 측정 방식

• 연구진은 40명 이상의 건강한 참가자를 대상으로 정신 산술, 자서전적 기억 회상 등 다양한 과제를 수행하게 함
• 동시에 새로운 정량적 MRI 기법으로 실제 산소 소비량을 측정
• 과제와 뇌 영역에 따라 결과가 달랐으며, 산소 소비 증가가 혈류 증가로 이어지지 않음이 확인됨
  • 예를 들어 계산 관련 영역에서는 혈류 변화 없이 산소 추출 효율이 증가
  • 즉, 뇌가 혈류량을 늘리지 않고 에너지 수요를 충족함

뇌 질환 연구에 대한 영향

• 혈류 변화를 신경 활성의 지표로 사용하는 기존 연구는 재평가가 필요함
  • 우울증, 알츠하이머 등 정신·신경 질환 연구에서의 해석 오류 가능성 제기
• 특히 혈관 변화가 있는 고령자나 혈관 질환자의 경우, 측정값이 신경 결함이 아닌 혈관 차이를 반영할 수 있음
• 이전의 동물 연구 결과도 이러한 방향성을 뒷받침함

새로운 분석 접근 제안

• 연구진은 기존 MRI 접근법에 정량적 측정 결합을 제안
  • 향후 에너지 기반 뇌 모델 구축의 기초가 될 수 있음
• 단순한 활성 지도 대신, 정보 처리에 실제로 소비된 산소와 에너지량을 표시하는 분석으로 발전 가능
• 이를 통해 노화, 정신질환, 신경퇴행성 질환의 에너지 대사 변화를 절대적 수치로 파악할 수 있는 길이 열림

연구 배경 및 출판 정보

• 연구는 TUM 대학병원 신경두부센터(Neuro-Head Center) 에서 수행
• 유럽연구위원회(ERC) 의 Starting Grant 지원을 받음
• 논문: BOLD signal changes can oppose oxygen metabolism across the human cortex,
  Nature Neuroscience, 2025년 12월 12일, DOI: 10.1038/s41593-025-02132-9