초음파로 뇌를 촬영하기

 (alephneuro.com)
1P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 1개
  • Aleph는 두개골을 열지 않고 뇌 혈관 활동을 고해상도로 보는 초음파 기반 뇌 인터페이스 하드웨어를 개발하며, MRI처럼 넓은 범위와 세부 해상도를 동시에 노림
  • 이 방식은 뉴런 활성화 부위로 혈액이 더 공급되는 신경혈관 결합을 이용해, 두개골을 통과한 초음파 산란 신호로 혈류와 혈액량 지도를 만듦
  • 공개 결과는 살아 있는 인간 뇌를 온전한 두개골 너머로 촬영한 가장 상세한 혈관 이미지로, 인간 뇌의 경두개 3D 초음파 위치현미경 첫 사례임
  • 미세기포 조영제를 4분 동안 지속 주입해 비교 가능한 CT보다 체적 기준 100배 높은 해상도를 달성했지만, 이 초해상도 기법은 조영제 버전에서만 가능함
  • 최종 목표는 무조영 신경혈관 초음파 이미징이며, 약한 적혈구 산란 신호를 복원하려면 대규모 데이터와 end-to-end 머신러닝이 필요함

두개골을 열지 않는 뇌 활동 이미징

  • 뇌 활동만으로 사람이 보고 있는 이미지를 복원하는 연구는 뇌 인터페이스의 가능성을 보여줬지만, 기존 예시는 MRI 장비가 필요해 착용형 기기로 쓰기 어려움
  • 현재 뇌 인터페이스 하드웨어는 두 극단으로 나뉨
    • 두개골에 구멍을 뚫고 전극을 뇌에 삽입하는 방식
    • 머리 밖에서 EEG로 뇌 활동을 기록하지만, 이미지가 흐릿한 방식
  • Aleph는 드릴링 없이 MRI 수준의 뇌 세부정보를 제공하는 새 하드웨어를 만들고 있음

초음파가 혈류로 뇌 활동을 읽는 방식

  • 이 하드웨어는 초음파를 기반으로 하며, 혈관계와 뉴런 사이의 연결을 이용함
  • 뉴런이 발화하면 해당 부위에 더 많은 혈액이 공급됨
  • 두개골을 통과한 초음파는 적혈구에서 산란되고, 이 신호로 뇌 전체의 혈류와 혈액량 지도를 만들 수 있음

범용 뇌 인터페이스의 두 조건

  • Aleph는 범용 뇌 인터페이스에 두 가지 조건이 필요하다고 봄

  • 넓은 뇌 영역 관찰

    • 1000개 전극을 사용해도 뇌의 최대 0.001% 정도만 포착함
    • 이 정도는 커서 제어 같은 좁은 작업에는 유용하지만, 생각은 뇌 전체에 분산돼 있음

  • 높은 해상도

    • EEG와 MEG는 넓은 시야를 갖지만 뇌 활동 이미지는 흐릿함
    • 전기장과 자기장이 전파되는 방식에서 오는 근본적 한계라, 센서를 수백만 개로 늘려도 해결되지 않음
    • 신경혈관 초음파는 MRI처럼 두 조건을 모두 만족할 수 있으며, 물리적으로 뇌 전체에서 100만 개의 독립 픽셀을 밀리미터 미만 크기로 기록할 수 있음

온전한 두개골을 통과한 첫 3D 혈관 이미지

  • Aleph가 공개한 결과는 온전한 두개골을 통해 초음파로 촬영한, 살아 있는 인간 뇌의 가장 상세한 혈관 이미지임
  • 재구성된 혈관 볼륨에서는 큰 혈관, 연질막 동맥, 세동맥을 볼 수 있음
  • 인간 뇌에서 두개골을 통과해 얻은 세계 최초의 3D 초음파 위치현미경 이미지임
  • 비교 가능한 CT보다 체적 기준 100배 높은 해상도를 달성함
    • 단, 이 수치는 초해상도 기법을 사용한 결과이며, 이 기법은 조영제 기반 신경혈관 초음파에서만 가능함
  • Aleph는 경두개 미세기포 이미징이 자체 목표 외에도 여러 응용처를 가질 것으로 보고, 전체 파이프라인과 데이터셋을 오픈소스로 공개함
  • 뇌졸중, 알츠하이머병, 외상성 뇌손상은 CT와 MRI가 해상도로 잡지 못하는 규모의 혈관 시그니처를 남기며, Aleph는 이 해상도의 이미징이 그 영역에 도달할 것으로 봄

미세기포로 회절 한계를 넘는 처리 파이프라인

  • 미세기포는 초음파의 회절 한계를 넘는 데 사용됨
  • 일반 초음파는 약 한 파장보다 가까운 두 물체를 분리하지 못하고, 더 미세한 구조는 하나의 덩어리처럼 보임
  • 미세기포 하나는 파장 폭 정도의 흐릿한 점으로 보이지만, 서브픽셀 피팅으로 중심을 파장보다 훨씬 정밀하게 추정할 수 있음
  • 핵심 변수는 기포 농도임
    • 기포를 충분히 드물게 주입해 각 기포의 흐릿한 점이 서로 겹치지 않게 함
    • 혈관을 따라 흐르는 기포의 위치를 수백만 개 누적함
    • 이 위치들을 쌓아 파장보다 더 세밀한 단일 이미지를 만듦
  • 기포는 지질 껍질에 둘러싸인 육불화황 주머니이며, FDA 승인 조영제임
  • Aleph는 4분 촬영 동안 기포를 지속 주입함
  • 기체는 조직과 음향 임피던스가 크게 달라 기포 표면에서 소리가 강하게 반사되고, 신호 강화와 초해상도 구현에 함께 기여함
  • 프레임 사이에서 기포 중심을 연결하면 3D 궤적이 만들어지고, 그 방향과 속도로 살아 있는 미세혈관계의 혈류를 추적할 수 있음

무조영 신경혈관 초음파로 가는 경로

  • Aleph는 조영제 기반 결과를 중간 단계로 보고, 최종 목적지를 무조영 신경혈관 뇌 이미징으로 둠

  • 하드웨어 변화

    • 과거 초음파 장비는 10만 달러 이상이고 전자장치가 가득한 카트가 필요했음
    • Butterfly 같은 회사 덕분에 현재 초음파 장비는 스마트폰과 비슷한 가격과 크기에 가까워졌고 계속 개선되고 있음

  • 데이터와 머신러닝

    • 무조영 이미징은 더 어려움
    • 적혈구는 미세기포보다 훨씬 약하게 산란하므로 신호가 약함
    • Aleph는 그 신호가 사라진 것이 아니라 현재 방법이 충분히 끌어내지 못한다고 봄
    • 표준 초음파 프로브는 시간당 테라바이트 단위 데이터를 받지만, 일반적인 처리 파이프라인은 이를 원본의 0.1% 로 압축함
    • 기존 파이프라인은 손으로 설계한 특징에 기반하며, Aleph는 이를 초기 컴퓨터 비전과 비슷하다고 봄
    • 충분히 큰 데이터셋으로 학습한 end-to-end 머신러닝이 현재 방법보다 훨씬 많은 신호를 복원할 수 있다고 봄
    • Aleph는 현재 세계 최대 규모라고 보는 신경혈관 초음파 데이터셋을 수집 중임

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GN⁺   [-]
Hacker News 의견들

  • 임신부에게 쓰는 수준의 저강도 초음파도 뇌의 미세구조 변화를 일으킬 수 있고[0], 특히 축삭의 말이집 사이 틈인 랑비에 결절에서 변화가 나타난다고 함
    리뷰 논문은 [1]도 참고할 만함
    [0] Ellisman MH, Palmer DE, André MP (1987), "Diagnostic levels of ultrasound may disrupt myelination," Experimental Neurology 98:78–92
    https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3308504/
    [1] Quarato, C.M.I., Lacedonia, D., Salvemini, M., Tuccari, G., Mastrodonato, G., Villani, R., Fiore, L.A., Scioscia, G., Mirijello, A., Saponara, A. and Sperandeo, M., 2023. A review on biological effects of ultrasounds: key messages for clinicians. Diagnostics, 13(5), p.855
    https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10001275/

    • 모든 소리는 진동이므로, 진동이 물질을 통과하며 물리적으로 움직이는 이상 결국 어느 정도는 영향을 줌
      사람이 들을 수 있는 건 가청 주파수 범위가 내이의 수용체를 움직이기 때문이고, 이 효과가 귀에만 국소적으로 머무는 건 아니라서 뇌 전체도 영향을 받지만 생물학적으로 그에 맞게 적응되어 있음
      나무를 두드리면 인간 가청 범위 아래, 가청 범위, 그리고 가청 범위 위인 초음파까지 여러 주파수의 소리가 생김. 일반적으로 더 위험한 건 어떤 주파수든 지속적인 소음이고, 특히 저주파에 큰 진폭이면 몸을 물리적으로 밀 수 있어 해로움
    • 초음파가 뇌에 영향을 준다면, 특정 패턴으로 비파괴적 뇌 자극을 할 수도 있지 않을까 싶음

  • 멋진 작업이고 개념 증명도 흥미롭지만, 과장과 빠진 정보가 꽤 있어서 비판적으로 볼 필요가 있어 보임
    가장 빠진 건 기존 의료 영상 기술과의 비교·검증임. 조영제 없는 전뇌 신경혈관 영상은 사실상 MRI로 해결된 영역인데, 왜 MRI 촬영과 비교하지 않았는지 궁금함
    초음파가 휴대 가능하고 저렴한 건 맞지만, 의료 워크플로에서는 대부분 도시에서 MRI도 꽤 널리 있고 비용도 합리적인 편이며, 저자장 뇌 MRI가 휴대성과 비용 문제를 어느 정도 줄이고 있음
    이 제품을 착용형 텔레파시 장치로 포지셔닝하는 것 같은데, 차별화에는 맞지만 “작동 원리를 알 필요가 없다”는 프레이밍도 불러와서 오히려 회의감과 더 높은 검증 기준을 요구하게 됨

    • “MRI가 대부분 도시에서 합리적 비용으로 널리 있다”는 말은 현실과 다를 수 있음
      이른바 선진국에 살아도 시민들이 MRI 한 번 찍으려고 수개월, 심하면 1년 넘게 기다리는 일이 흔함. MRI 장비만이 아니라 의료 시스템 전체의 문제이긴 하지만, 장비가 한두 자릿수 정도 더 싸고 운영도 쉬워지면 접근성은 분명 크게 좋아질 것 같음
      기준값과의 비교가 필요하다는 점에는 동의하고, 여기서 보이는 결과를 검증하려고 그런 작업을 많이 했기를 바람
    • 기사에 따르면 이 초음파 장비 가격은 스마트폰 정도, 약 4,000달러라고 함
      MRI 장비는 대략 그 1,000배쯤 비쌈
    • 캐나다에서 MRI의 일반적인 대기 시간은 2개월임

  • 이 고해상도 이미지는 지질 껍질에 싸인 육불화황 미세기포 조영제를 희박하게 주입해서 만든 것임
    그 기포가 얼마나 희박한지, 우리가 보는 이미지가 시간에 따라 여러 기포를 쌓아 합성한 것인지가 궁금함
    마지막에 기포 없이도 해보겠다는 목표는 좋지만, 그 도약에는 “이제 나머지 올빼미를 그리세요” 같은 느낌이 큼. 첫 기법은 전적으로 미세기포에 의존하는데, 기술이 발전 중이라는 막연한 말 외에는 기포 없이 가능할 이유를 설명하지 않음

  • 적혈구 영상을 두고 보면, 여기서 쓴 초해상도 기법은 기포가 희박하다는 데 크게 의존함
    저해상도에서 점 하나나 아주 드문 점 집합을 생각하면, 명확히 보이지 않아도 그 위치를 맞춰낼 수 있음. 전파천문학과 아마도 천체측량에서도 흔한 기법이고, 압축 센싱도 한때 매우 뜨거운 분야였음
    하지만 적혈구는 말랑하고 이상한 물체이며, 혈류를 꽤 조밀하게 채움. ChatGPT 추정으로는 서로 약 20µm 떨어져 있고, 모세혈관 안에서는 길이가 약 7µm라고 하는데 그럴듯해 보임
    적혈구의 훨씬 나쁜 산란 특성을 빼고 봐도 그다지 희박하지 않음. 사실상 희박성의 한 차원을 거의 잃고 모세혈관 전체를 해상해야 하는 셈이라 가능할 수는 있어도 훨씬 어려움. 안타깝게도 뇌 모세혈관 간격이 약 40µm라 결과가 엉망이 될 수도 있음
    기사에는 사용 파장이나 기본 해상도, 즉 파장/2 해상도가 얼마인지 나오지 않음

    • 희박성에 전적으로 의존하는 기법을 보여준 뒤, 전혀 희박하지 않은 혈액 세포에도 적용하겠다고 하는 건 다소 오해를 부르는 느낌임
      실현되면 좋겠지만, 뚜렷한 한계를 넘어설 그럴듯한 경로가 제시되지 않은 기술 범주에 넣어두겠음
    • 이 분야에는 완전 문외한이지만, 기사에서는 AI/ML이 적혈구로 인한 산란처럼 탐침이 모은 대량 데이터에는 들어 있으나 수작업 기법으로 쓰기엔 너무 약한 정보를 끄집어내는 모델을 만들 수 있기를 기대한다고 했음
      그러려면 엄청난 데이터가 필요하고, 지금 만든 장비로 바로 그 데이터를 모으려는 것으로 보임
    • 일반 천문학에서도 디더링과 함께 이런 방식이 쓰이는 것으로 알고 있음

  • 영상 기술 자체는 멋지지만 홈페이지는 좀 민망함
    그들이 암시하는 수준의 마음 읽기는 혈류역학만으로는 애초에 복원 불가능하다는 꽤 설득력 있는 논리가 있음. 신경 회로의 스파이크가 아니라 혈액을 기록하기 시작하는 순간 차원이 되돌릴 수 없이 손실되고, VC가 “telepathy”라는 단어를 보고 상상하는 것이 그 변환 뒤에도 남아 있는지는 전혀 분명하지 않음
    가지고 있는 건 동네의 음식 배달 데이터에 가까움. 파티를 언제 열지 같은 꽤 많은 건 알 수 있지만, 누가 가장 멋진 옷을 입었고 저녁 식사에서 무슨 이야기를 했는지는 알 수 없음. 그 정보는 인터페이스를 건너오면서 그냥 살아남지 않음
    정보에 근거한 해석과 마음 읽기 사이에는 엄청난 협곡이 있음

  • 순진한 질문인데, 음파를 쓰는 걸 고려하면 지연 시간 문제는 없을까 궁금함

  • Meta도 이쪽을 하고 있어서 [0], 가까운 미래에 대한 오웰식 질문들이 떠오를 수밖에 없음
    애완용 생쥐를 영화관에 데려가고 친구가 Apple iFMRI로 영화를 다시 스캔하면 DRM은 여전히 유효할까, 아니면 생쥐들이 DRM 잠금될까
    컴퓨터를 부팅하는 데 홍채만으로 충분할까, 아니면 “모든 뇌파 쿠키 허용”을 눌러야 할까
    동네에 새 Brain Pole을 설치해 달라고 지역 Flock 담당자에게 이메일을 보낼 수 있을까. 어두운 생각을 가진 젊은 남성들이 여럿 보였고, Amazon 생각 카메라가 택배 분실 확률 증가를 말해줬음
    [0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...

    • SF 악몽 같은 건 맞지만, 실용적이지는 않음
      이런 영상 기법들은 모두 꽤 복잡함. 초음파는 직접 접촉이 필요하고, 이 기법은 기포를 오래 정맥 주입해야만 작동함. fMRI도 여러 이유로 무언가를 향해 겨눌 수 있는 휴대용 장치가 되기 어려움
      생각과의 연결도 현실보다는 SF에 가까움. 이론상 이 기법은 여러 영역의 혈류 변화를 볼 수 있겠지만, 그게 무엇을 뜻할까? 환자가 불안한 건지, 아니면 뇌로 갈 기포를 IV로 주입하고 머리에 기계를 붙였기 때문에 긴장한 건지 구분하기 어려움
    • 미친 듯이 보편화된 감시 기술이 있는데도 택배는 계속 도난당하고, 도둑이 그 감시망에 “잡혀도” 아무도 집행하지 않는 현재 세계는 확실히 흥미로움
      Orwell이라면 뭐라고 생각했을지 궁금함

  • 괜한 공포를 조장하려는 건 아니지만, 초음파를 이런 식으로 써도 안전한지 궁금함
    이해하기로는 기본적으로 고주파 음파라 대부분 조직에는 괜찮을 수 있지만, 여기서는 적혈구에 산란된다고 하니 왜인지 불안하게 느껴짐

    • 파동은 모든 것에 산란되므로 그 자체는 걱정할 부분이 아님
      강도, 주파수, 대상 조직에 따라 초음파 영향은 있을 수 있음. 다른 곳에서 이 주제의 학술 논문 몇 편을 링크한 사람도 있었음
      뇌에 쓰는 건 나도 망설여짐. 적어도 장기 동물 모델 시험이 철저히 있어야 함. 포유류에게 10년 동안 매일 적용하고 대조군과 비교해 부정적 영향이 없다는 걸 보여줘야 함

  • 지난주 내내 초음파가 모든 걸 해결하는 느낌임

    • 서로 관련된 사건들임 :)
      이 글 뒤의 팀은 적어도 몇 달 전 기준으로는 Midjourney와 함께 일하고 있었음
    • 지난주 Midjourney 논쟁 때 초음파로는 이런 활용이 불가능하다고 아주 크게 단정한 사람들이 많았음
    • 더 흥미로운 방향은 여러 질병의 해결책으로 제안되는 집속 초음파라고 봄

  • 혈관에 SF6를 주입하는 게 FDA 승인을 받을 만큼 안전하다고 누가 생각했겠나 싶어서 흥미로움

    • Wikipedia에 따르면 SF6는 “무색, 무취, 불연성, 무독성 기체”라고 함
      초음파 조영제로 쓸 때는 “종양 혈관성을 검사하는 데 사용”되어 왔고, 원문 글에서의 용도와 비슷함. 또한 “혈액 안에서 3~8분 동안 보이며, 폐를 통해 호기된다”고 함
      처음 생각했던 것처럼 간에서 모여 배출되는 방식은 아님
    • 미세기포 조영 초음파(CEUS)는 임상에서 20년 넘게 쓰여 왔음
      Bracco의 SonoVue/Lumason이나 GE Healthcare의 Optison 같은 조영제 제조사도 많음. 안전성만 보면 CT의 요오드 조영제나 MRI의 가돌리늄 조영제보다 나을 가능성이 크고, 현재는 꽤 확립된 기술임
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