초음파로 뇌를 촬영하기

임신부에게 쓰는 수준의 저강도 초음파도 뇌의 미세구조 변화를 일으킬 수 있고[0], 특히 축삭의 말이집 사이 틈인 랑비에 결절(Nodes of Ranvier)에서 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 초음파(Ultrasound)까지 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 증명(Proof of Concept)도 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 워크플로(Workflow)에서는 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(Sulfur hexafluoride) 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 사용된 초해상도 (Super-resolution) 기법은 기포가 희박하다는 점에 크게 의존합니다.
저해상도에서 점 하나나 아주 드문 점 집합을 생각하면, 명확히 보이지 않더라도 그 위치를 맞춰낼 수 있습니다. 이는 전파천문학 (Radio astronomy)과 아마도 천체측량 (Astrometry)에서도 흔한 기법이며, 압축 센싱 (Compressed sensing)도 한때 매우 뜨거운 분야였습니다.
하지만 적혈구는 말랑하고 이상한 물체이며, 혈류를 꽤 조밀하게 채웁니다. ChatGPT의 추정으로는 서로 약 20µm 떨어져 있고, 모세혈관 안에서는 길이가 약 7µm라고 하는데 이는 그럴듯해 보입니다.
적혈구의 훨씬 나쁜 산란 (Scattering) 특성을 제외하더라도 그다지 희박하지 않습니다. 사실상 희박성의 한 차원을 거의 잃고 모세혈관 전체를 해상해야 하는 셈이라, 가능할 수는 있어도 훨씬 어려워집니다. 안타깝게도 뇌 모세혈관 간격이 약 40µm라 결과가 엉망이 될 수도 있습니다.
기사에는 사용된 파장이나 기본 해상도, 즉 파장/2 해상도가 얼마인지 나오지 않습니다.

희박성에 전적으로 의존하는 기법을 보여준 뒤, 전혀 희박하지 않은 혈액 세포에도 적용하겠다고 하는 것은 다소 오해를 불러일으킬 수 있는 느낌입니다.
실현되면 좋겠지만, 뚜렷한 한계를 넘어설 그럴듯한 경로가 제시되지 않은 기술 범주에 넣어두겠습니다.

이 분야에는 완전한 문외한이지만, 기사에서는 AI/ML이 적혈구로 인한 산란처럼 탐침 (Probe)이 수집한 대량의 데이터에는 들어 있으나 수작업 기법으로는 추출하기에는 너무 약한 정보를 뽑아낼 수 있는 모델을 만들 수 있기를 기대한다고 했습니다.
그러려면 엄청난 데이터가 필요하며, 현재 제작된 장비로 바로 그 데이터를 모으려는 것으로 보입니다.

일반 천문학에서도 디더링 (Dithering)과 함께 이런 방식이 쓰이는 것으로 알고 있습니다.

영상 기술 자체는 멋지지만 홈페이지는 좀 민망합니다.
그들이 암시하는 수준의 마음 읽기는 혈류역학 (Hemodynamics)만으로는 애초에 복원 불가능하다는 꽤 설득력 있는 논리가 있습니다. 신경 회로의 스파이크 (Spike)가 아니라 혈액을 기록하기 시작하는 순간 차원이 되돌릴 수 없이 손실되며, VC가 “telepathy”라는 단어를 보고 상상하는 것이 그 변환 뒤에도 남아 있는지는 전혀 분명하지 않습니다.
가지고 있는 것은 동네의 음식 배달 데이터에 가깝습니다. 파티를 언제 열지 같은 꽤 많은 것은 알 수 있지만, 누가 가장 멋진 옷을 입었고 저녁 식사에서 무슨 이야기를 했는지는 알 수 없습니다. 그 정보는 인터페이스를 건너오면서 그냥 살아남지 않습니다. 정보에 근거한 해석과 마음 읽기 사이에는 엄청난 협곡이 있습니다.

순진한 질문인데, 음파를 사용하는 것을 고려하면 지연 시간 (Latency) 문제는 없을지 궁금합니다.

Meta도 이 분야를 진행하고 있어 [0], 가까운 미래에 대한 오웰식 (Orwellian) 질문들이 떠오를 수밖에 없습니다.
애완용 생쥐를 영화관에 데려가고 친구가 Apple iFMRI로 영화를 다시 스캔하면 DRM은 여전히 유효할까요, 아니면 생쥐들이 DRM 잠금(lock)될까요?
컴퓨터를 부팅하는 데 홍채만으로 충분할까요, 아니면 “모든 뇌파 쿠키 허용”을 눌러야 할까요?
동네에 새 Brain Pole을 설치해 달라고 지역 Flock 담당자에게 이메일을 보낼 수 있을까요? 어두운 생각을 가진 젊은 남성들이 여럿 보였고, Amazon 생각 카메라가 택배 분실 확률 증가를 말해주었습니다.
[0]https://ai.meta.com/blog/tribe-v2-brain-predictive-foundatio...

SF 악몽 같은 것은 맞지만, 실용적이지는 않습니다.
이런 영상 기법들은 모두 꽤 복잡합니다. 초음파는 직접 접촉이 필요하고, 이 기법은 기포를 오래 정맥 주입해야만 작동합니다. fMRI도 여러 이유로 무언가를 향해 겨눌 수 있는 휴대용 장치가 되기 어렵습니다.
생각과의 연결도 현실보다는 SF에 가깝습니다. 이론상 이 기법은 여러 영역의 혈류 변화를 볼 수 있겠지만, 그게 무엇을 뜻할까요? 환자가 불안한 것인지, 아니면 뇌로 갈 기포를 IV로 주입하고 머리에 기계를 붙였기 때문에 긴장한 것인지 구분하기 어렵습니다.

미친 듯이 보편화된 감시 기술이 있는데도 택배는 계속 도난당하고, 도둑이 그 감시망에 “잡혀도” 아무도 집행하지 않는 현재의 세계는 확실히 흥미롭습니다.
Orwell이라면 뭐라고 생각했을지 궁금합니다.

불필요한 공포를 조장하려는 것은 아니지만, 초음파를 이런 방식으로 사용하는 것이 안전한지 의문이 듭니다.
제가 이해하기로는 기본적으로 고주파 음파(high-frequency sound waves)이기 때문에 대부분의 조직에는 괜찮을 수 있지만, 여기서는 적혈구에 산란(scattering)된다고 하니 왠지 불안하게 느껴집니다.

파동은 모든 것에 산란되므로 그 자체는 걱정할 부분이 아닙니다.
강도(intensity), 주파수(frequency), 대상 조직에 따라 초음파의 영향이 있을 수 있습니다. 다른 곳에서 이 주제에 관한 학술 논문(academic papers) 몇 편을 링크한 사람도 있었습니다.
뇌에 사용하는 것은 저도 망설여집니다. 적어도 철저한 장기 동물 모델(long-term animal model) 시험이 있어야 합니다. 포유류에게 10년 동안 매일 적용하고 대조군(control group)과 비교하여 부정적인 영향이 없다는 것을 보여줘야 합니다.

지난주 내내 초음파가 모든 것을 해결할 수 있는 것처럼 느껴집니다.

서로 관련된 사건들입니다 :)
이 글 뒤의 팀은 적어도 몇 달 전 기준으로는 Midjourney와 함께 일하고 있었습니다.

지난주 Midjourney 논쟁 때, 초음파로는 이런 활용이 불가능하다고 아주 강력하게 단정 짓는 사람들이 많았습니다.

더 흥미로운 방향은 여러 질병의 해결책으로 제안되는 집속 초음파(focused ultrasound)라고 봅니다.

혈관에 SF6를 주입하는 것이 FDA 승인을 받을 만큼 안전하다고 누가 생각했을까 싶어 흥미롭습니다.

Wikipedia에 따르면 SF6는 “무색, 무취, 불연성, 무독성 기체”라고 합니다.
초음파 조영제(ultrasound contrast agent)로 쓸 때는 “종양 혈관성(tumor vascularity)을 검사하는 데 사용”되어 왔으며, 이는 원문 글에서의 용도와 비슷합니다. 또한 “혈액 안에서 3~8분 동안 보이며, 폐를 통해 호기(exhalation)된다”고 합니다.
처음 생각했던 것처럼 간에서 모여 배출되는 방식은 아닙니다.

미세기포 조영 초음파(CEUS, Contrast-Enhanced Ultrasound)는 임상에서 20년 넘게 쓰여 왔습니다.
Bracco의 SonoVue/Lumason이나 GE Healthcare의 Optison 같은 조영제 제조사도 많습니다. 안전성 측면만 본다면 CT의 요오드(iodine) 조영제나 MRI의 가돌리늄(gadolinium) 조영제보다 나을 가능성이 크며, 현재는 꽤 확립된 기술입니다.