뇌파(EEG, Electroencephalogram) 개요

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뇌파(EEG;ElectroEncephalogram)은 뇌의 전기적인 활동을 머리표면에 부착한 전극에 의해 비 침습적으로 측정한 전기신호입니다. 1875년 영국의 생리학자 R.케이튼이 처음으로 토기, 원숭이의 대뇌피질에서 나온 미약한 전기활동을 검류계로 기록한 것이 뇌파 최초의 보고입니다.

사람의 뇌파를 최초로 검출한 사람은 Hans Berger(한스베르거)로 머리에 외상을 입은 환자의 두개골 결손부의 피하에 2개의 백금전극을 삽입하여 기록하였으며, 나중에 두피에 전극을 얹기만 하여도 기록될 수 있다는 것을 관찰하고, 이것을 심전도(ECG;Electrocardiogram)나 근전도(EMG;Electromyog ram)와 같이 뇌전도라고 명명하였습니다. 이와 같은 그의 공적을 기려 뇌파를 ‘베르거 리듬 ’이라고도 합니다.

뇌파를 검출하기 위한 연구 작업은 매우 원시적이고도 조그만 작업실에서 이루어졌습니다. 사람을 대상으로 한 뇌파 연구는 1920년에 시작하게 되었습니다. 그의 초기 뇌파 연구에서는 측정용으로 string -Galvanometer를 사용하였습니다. 1926년에는 이중 코일 갈바노메터를 이용하여 실험을 하였으며, 이 장치와 비분극(nonpolarizable)전극을 이용하여 사람의 뇌파를 기록하였고 이를 1929년 처음으로 보고하게 되었습니다. 처음의 기록에서는 전두엽과 후두엽에 전극을 부착하여 단일 채널로 하여 1분에서 3분 정도 뇌파를 기록하였습니다.

Hans Berger는 사람두피에서 최초로 뇌파를 발견한 이후에도 최초의 발견들을 이루어 낸 후, 수면시의 뇌파 기록(최초의 spindle 검출), 저 산소증에 의한 효과, 뇌 장애의 부분과 전체 효과, 간질 발작에 의한 효과 등을 모두 최초로 발견하였습니다. 이들은 현재까지도 병원에서 필수 진단 방법으로 사용되는 것들입니다.

뇌파에 반영되는 뇌의 전기적 활동은 신경세포(neurons), 교세포(glia cells), 혈뇌장벽(blood-brain barrier)에 의해 결정되는데 주로 신경세포에 의해 발생합니다. 뇌 무게의 반을 차지하는 교세포들은 신경세포가 연접해 있는 부위인 시냅스에서 이온, 분자의 흐름을 조정하고 신경세포들 간의 구조 유지, 지탱, 보수 역할 등을 합니다. 혈뇌장벽은 뇌혈관 속에 있는 각종 물질 중 필요한 물질만 선별해서 통과시키는 역할을 합니다. 교세포와 혈뇌장벽에 의한 뇌파의 변화는 조금씩 천천히 일어나며 이에 비해 신경세포의 활동에 의한 뇌파의 변화는 크고, 빠르며 다양하게 발생합니다.

이렇게 발생한 뇌파는 매우 복잡한 패턴으로 진동하는 파형형태로 보입니다.  따라서 뇌파 파형 그대로를 시각적으로 관찰하는 것은 그다지 유용하지 않습니다. 흔히 뇌파를 관찰할 때 주파수에 따라 분류하는 파워 스펙트럼 분석을 이용합니다. 파워 스펙트럼 분석은 뇌파가 특정 주파수로 진동하는 단순 진동들의 선형적 결합이라고 가정하고, 이 신호에서 각각의 주파수 성분을 분해하여 그 크기(또는 파워)를 표시한 것입니다.

상기 그림과 같이 일반적으로 뇌파는 진동하는 주파수의 범위에 따라 인위적으로 델타 -δ파(0.2 ~ 3.99 Hz), 쎄타 -θ파(4 ~ 7.99 Hz), 알파 -α파(8 ~ 12.99 Hz), 베타 -β파(13 ~ 29.99 Hz), 감마- g파(30~50 Hz)로 구분하여 부릅니다.

델타파는 주로 정상인의 깊은 수면 시나 신생아의 경우 두드러지게 나타납니다. 만약 깨어 있는 사람에게서 델타파가 평균범위보다 매우 많이 나타난다면 대뇌피질부위의 악성 종양 또는 마취, 혼수 상태관련 질병일 수  있습니다. 만약 건강한 정상인의 경우인데도 델타파가 두드러진다면 뇌파 측정시 눈을 깜박이거나 몸을 심하게 움직인 경우가 대부분입니다. 이러한 눈움직임이나 몸움직임에 의해 발생하는 잡음(artifact)의 주파수 영역은 델타파 주파수 영역과 거의 일치하므로 마치 델타파가 증가한 것처럼 보일 수 있습니다. 따라서 보통 장시간 뇌파 측정실험을 할 경우엔 눈움직임과 몸움직임이 필수적으로 발생하므로 보통 델타파의 파워증감은 분석요소로 고려하지 않습니다.

쎄타파는 정서안정 또는 수면으로 이어지는 과정에서 주로 나타나는 파로 성인보다는 어린이에게 더 많이 분포합니다. 쎄타파는 기억력, 초능력, 창의력, 집중력, 불안해소 등... 많은 다양한 상태와 관련되어 있다고 보고되고는 있으나, 연구자들마다 실험프로토콜과 피험자 특성이 조금씩 달라  각 대뇌피질 부위별 증감의 방향이 일치하지는 않는 등... 아직은 표준화된 결과들이 다소 부족한 상태입니다. 

알파파는 긴장이완과 같은 편안한 상태에서 주로 나타나며, 안정되고 편안한 상태 일수록 진폭이 증가합니다. 일반적으로 규칙적인 파동의 형태로 연속적으로 나타나며, 두정부와 후두부에서 가장 크게 기록되고 전두부에 가장 작게 나타나는 특성이 있습니다. 특히 안정된 알파파가 나타나는 때는 눈을 감고 진정한 상태에 있을 때이며, 눈을 뜨고 물체를 주시하거나 정신적으로 흥분하게 되면 알파파는 억제됩니다. 이 현상을 ‘알파 저지’라고 합니다. 알파파는 뇌의 발달과 밀접한 관계가 있고 유아기에는 4 ~ 6Hz에서 측정되나, 그 후 나이가 들수록 주파수도 증가하여 20세 정도 성인의 값에 이르게 됩니다.

베타파는 주로 전두부에서 많이 나타나며, 깨어 있을 때, 말할 때와 같이 모든 의식적인 활동을 할 때 나타납니다. 특히, 불안한 상태나 긴장시, 복잡한 계산처리시에 우세하게 나타나기도 합니다.

감마파는 베타파보다 더 빠르게 진동하는 형태로 정서적으로 더욱 초조한 상태이거나 추리, 판단등의 고도의 인지정보처리와 관련깊다고 보고되고 있습니다.

델타,쎄타,알파,베타, 감마파는 편리상 작위적으로 분류한 뇌파의 주파수 영역입니다. 어떤 연구자들은 Low 알파, Middle 알파, High 알파등 더욱 세분화하여 분석하기도 합니다. 보통 특정상태의 뇌파특징을 분석하고자 하는 연구자들은 0-50Hz의 각 주파수 성분에 대한 파워의 분포를 전체적으로 보여주는 파워스펙트럼 분포를 먼저 관찰한 후,  유의미하게 변하는 주파수 성분을 찾아 의미를 부여하기도 합니다.

이러한 파워스펙트럼 분포는 머리표면의 각 측정부위마다 조금씩 다른 양상을 나타냅니다. 머리표면 아래의 대뇌피질은 다음 그림과 같이 전두엽(Frontal Lobe), 두정부엽(Parietal Lobe), 측두엽(Temporal Lobe), 후두엽(Occipital Lobe) 등으로 크게 나뉘며 담당 역할이 조금씩 다릅니다.  예를 들면 뒤통수에 해당하는 후두엽엔 일차시각피질이 있어 일차적인 시각정보 처리를 담당하며, 정수리근처에 해당하는 두정부엽엔 체성감각 피질이 있어 운동/감각관련 정보처리를 담당합니다.  

사용하는 뇌파 측정기의 측정가능한 전극수가 많을수록 동시에 여러부위의 뇌파의 양상을 관찰할 수 있습니다. 보통 측정가능한 전극수가 적은 경우, 연구목적과 관련깊은 부분에만 집중적으로 전극을 부착하여 사용하기도 합니다.

머리표면위에 뇌파전극을 부착하는 위치는 다음 그림과 같이 국제적으로 명명된 MCN 시스템이 추천됩니다. 보통 20채널이하인 경우, 10/20전극시스템을 사용하기도 합니다.

보통 이렇게 여러부위에서 동시 측정한 뇌파에서 어떤 부위끼리 동기화가 되어있는지를 보기위해 다음과 같이 전극쌍 사이의 상호상관(Cross-Correlation) 맵핑을 수행합니다.

또한 델타, 쎄타, 알파, 베타, 감마파 또는 특정 주파수영역에 해당하는 파워값들의 측정 부위별 분포를 분석하기도 합니다.  

이 외에 고전적인 분석으로 유발전위 분석법이 있습니다.  유발전위는 특정 정보를 내포하고 있는 자극을 반복 제시한 후, 이 자극 처리와 관련한 뇌의 전기적 활동만을 얻은 파형을 말합니다. 따라서 다음 그림과 같이 특정 자극이 제시된 시점을 기준으로 측정한 뇌파들을 평균화함으로써 자극과 관련없는 뇌의 전기적 활동부분은 제거하고 자극처리에 공통으로 관여한 뇌 활동만을 추려낸 것입니다.

보통 이러한 유발전위는 N100,N200,P300,N400,P600,P800 등의 여러개의 피크로 구성되며 각 피크마다 정보처리에 관련된 다양한 의미를 지니고 있습니다. 특히 이러한 피크 중 P300에 해당하는 피크가 1960년대 Sutton의 보고이후 뇌의 정보처리기전과 관련하여 전세계적으로 가장 많이 연구되어왔습니다. P300이란 자극제시 후 약 300ms 지점에 나타나는 양(Positive, 상향)의 피크를 의미합니다.

보고된 선행연구에 의하면 P300은 정보처리과정 중 자극에 대한 주의력, 자극인지, 기억탐색, 불확실감의 해소 등을 반영한다고 합니다. 즉 주의력, 기억력, 인지능력 등이 높을수록 P300의 진폭이 커지는 경향이 있으며, P300이 발생한 시점(Latency)이 빨라지게 됩니다.

상기 언급한 고전적인 분석법들 이외에도, 디지털 뇌파측정기의 도입과 생체신호처리기술의 발전에 힘입어 최근 뇌파 연구자들은 기존의 선형 분석법들과 함께 PCA, 웨이블렛,바이스펙트럼, 고차통계분석, 카오스 분석등...의 최첨단 분석법들을 쉽게 병행할 수 있어 뇌파에서 더욱 정확하고 유용한 특징들을 추출하고 있습니다.

뇌파는 CT나 MRI와 같은 뇌구조만으론 관찰할 수 없는 뇌의 기능을 반영합니다. 이러한 뇌의 기능을 측정하는 장치에는 Functional MRI와 PET, MEG 등이 많이 알려져 있습니다. 그러나 F-MRI와 PET는 뇌파에 비해 공간해상도가 높은 장점이 있으나, 뇌파에 비해 시간해상도가 낮아서 빠른시간내의 뇌의 변화를 볼수없다는 단점을 지니고 있습니다. 또한 이러한 장치들은 뇌파측정기에 비해 가격이 매우 고가일 뿐 아니라 특수한 측정실을 갖추어야 하는 제약이 있습니다. 따라서 저렴하면서도 시간 및 공간해상도가 동시에 뛰어난 획기적인 뇌기능 측정장치가 개발되지 않는한, 뇌파측정기는 뇌기능(Brain Fuction)연구의 주요 도구로써의 자리매김을 계속 유지할 것으로 보입니다.

뇌가 인간의 핵심기관인 만큼 이러한 뇌기능 연구가 필요한 분야는 매우 많습니다. 뇌종양, 뇌졸증, 간질, 치매..등의 여러가지 뇌관련 질환부터 정신분열,다중인격,정서장애...등의 각종 정신질환, 마취, 통증, 지각,인지, 두뇌계발, 교육, 감정, 명상, 의식...등의 관련 키워드는 참으로 다양합니다.

특히 뇌의 경우 작동기전이 대부분 밝혀져 있지않아 특정상태에 대한 이론적인 추정이 힘들므로, 직접적인 임상실험과 분석을 통해서만 의미부여 및 해석이 가능합니다. 지금도 전 세계 연구자들이 각자의 분야에서 요구되는 실험을 설계/수행하고 있으며 유의미한 결과들을 각종 학회에 보고하고 있습니다.

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