[연구의 필요성]

대뇌 피질 주름의 식별은 피질의 기능적·구조적 발달을 이해하는 데에 중요하다. 그중에서, Posterior Medial Cortex (PMC)는 기억, 자기참조 처리, 인지 제어 등 다양한 고위 인지 기능과 밀접한 관련이 있는 주름이다. 최근 연구에 따르면 인류의 PMC는 이전에 기술되지 않았던 새로운 구조적 주름을 포함하며, 이들의 해부학적 형태는 인간과 영장류 간에 유의미한 차이를 보인다. 이러한 발견은 개별적인 뇌 구조의 차이가 인지 및 행동 특성과 어떻게 연관되는지를 규명하기 위한 초석인 정밀한 대뇌 피질 주름 식별 기술의 필요성을 부각시킨다.

그러나 PMC 영역의 자동 주름 식별은 1) 피질 표면의 복잡한 해부학적 다양성, 2) 전문가의 수작업 식별 비용으로 인한 데이터 부족, 그리고 3) 관심 영역(ROIs)과 그 외의 심각한 클래스 불균형 문제로 인해 여전히 도전적인 과제로 남아있으며, 신뢰할 수 있는 자동화된 도구가 필요한 상황이다. 이에 따라 희소한 영역에서도 세밀한 구조를 효과적으로 포착할 수 있는 새로운 기술의 개발이 필요하다.

본 연구는 이러한 배경 아래, 구면으로 매핑된 대뇌 표면을 역변환이 가능하도록 수학적으로 유도한 등방(isotropic) 변형장을 통해 관심 영역은 광범위하게 확장하고 그 외의 영역은 수축시키는 변형 기법을 제안함으로써, 기존 방법의 한계를 극복하고 PMC 주름 식별의 정확도를 향상시켰다. 이러한 변형장의 계산에는 인공지능으로 추론된 인자들이 사용되었다.

 

[포스텍이 가진 고유의 기술]

본 연구는 POSTECH의 인공지능대학원 및 컴퓨터공학과가 주축이 되어 진행되었으며, 미국 UC Berkeley 및 University of Wisconsin-Madison 의과대학과의 공동 연구를 통해 국제적으로 검증된 PMC 주름 데이터셋을 확보하였다. 특히, PMC 영역의 희소하며 해부학적으로 다양성이 큰 주름들을 대상으로 한 정밀 식별 작업은 다수의 전문가의 수작업 주석과 교차 리뷰 과정을 거쳐 구축되었다.

더불어, 본 연구실은 구면 기반의 대뇌 표면 해석을 위한 기하학적 딥러닝 기술, 특히 구면조화함수 기반의 신경망 구조 및 역변환이 가능한 등방 변형장의 수학적 유도 능력에 있어 선도적인 연구 역량을 보유하고 있다. 본 연구에서 제안된 모델은 본 연구팀에서 기개발한 구면 신호 추론 모델인 SPHARM-Net 모델을 기반으로 하되, 최소한의 파라미터 추가만으로 대형 구면 영역 확장을 가능케 하였으며, 이를 통해 희소 영역의 구조적 특징을 효과적으로 표현할 수 있다.

 

[연구의 의미]

본 연구는 정밀한 대뇌 피질 주름 식별을 위한 새로운 방향을 제시함으로써, 기존의 인공지능 기반 자동화 기법이 직면했던 해부학적 다양성 및 클래스 불균형 문제를 효과적으로 극복하였다. 특히, 제안된 구면에서의 등방 변형 기법은 구면 표면에서의 확장을 정의하였으며, 위상을 유지한 채 관심 영역을 확장할 수 있어, 기존 방식으로는 정확한 식별이 어려웠던 소규모 주름 영역에서의 성능 향상을 도출하였다.

이는 단순한 기술적 개선을 넘어, PMC 영역 내 구조적 차이가 개인의 인지 및 행동 특성과 어떻게 연결되는지를 탐색할 수 있는 바이오마커의 실현 가능성을 높인다는 점에서 의의가 크다. 나아가, 본 연구에서 확장된 기술은 신경퇴행성 질환의 조기 진단, 개별 맞춤형 뇌 분석 등 다양한 응용 분야로의 확장이 기대된다.

 

[연구결과의 진행 상태 및 향후 계획]

본 연구는 의료영상 분야 국제학회 중 하나인 IEEE International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI) 2025에 채택되어 Houston, TX, USA에서 포스터 발표되었으며, 이후 제시된 등방 변형장을 넘어 더 복잡한 형태의 변형장을 활용한 연구를 진행할 계획이다.

 

[성과와 관련된 실적]

Seunghwan Lee, Jiwon Son, Seungeun Lee, Ethan H Willbrand, Benjamin J Parker, Kevin S Weiner, and Ilwoo Lyu, “Extensive spherical region enlargement with isotropic deformation for sulcal labeling”, in

2025 IEEE 22nd International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI), IEEE, Apr. 2025, pp. 1–5.