[디자인&뇌파] 주파수 대역과 기능

EEG 리듬과 진동은 대뇌 피질의 시냅수 후 전위(PSP)와 관련이 있다.

단일 신경세포의 PSP는 너무 미세하기 때문에, 수십만 개의 뉴런들이 PSP를 발생시키면 전기장이 형성된다!

우리는 이런 뇌파의 전기를 측정기를 통해 수집하는 것이다.

수십억 개의 신경 세포들은 복잡한 발화 패턴을 가지고 복잡하게 섞여 있다.

 

EEG로 측정할 수 있는 진동은 여러 주파수들이 합해진 형태이다.

주파수는 개인적인 요인, 자극 속성, 내부 상태에 따라 약간씩 다르기 때문에, 주파수 범위(frequency band)로 분류한다.

기본적으로, 델타(1–4 Hz), 세타(4–8 Hz), 알파(8–12 Hz), 베타(13–25 Hz), 감마(> 25 Hz) 등이 있고, 더 세부적으로 나뉘기도 한다.

• 주파수: 진동/리듬의 속도, 초당 진동 횟수, 헤르츠(Hz) 단위 사용.
• 파워: 주파수 대역 내 에너지의 양
• 위상: 여러 신호 생성기(신경세포, 사람) 간의 동기화의 정도
  (박수를 한 번에 치면 위상 정렬, 제멋대로 치면 위상 정렬이 없는 상태).

https://www.researchgate.net/publication/347105237_Wavelets_for_EEG_Analysis/figures?lo=1&utm_source=google&utm_medium=organic

 

델타 밴드 (1 - 4 Hz)

가장 느리고 높은 진폭을 가진 뇌파이다.

1 – 4 Hz 범위의 진동은 델타 파로 분류된다(Niedermeyer & da Silva, 2012).

델타 파는 일반적으로 깊은 비렘 수면(3단계) 동안에만 나타나며, 이는 서파 수면(SWS)이라고도 불린다.

수면 연구소에서 수면의 깊이를 평가하기 위해 델타 밴드 파워를 측정한다.

(델타 리듬이 강할수록 수면이 더 깊다는 의미이다)

델타 주파수는 오른쪽 뇌 반구에서 더 강하게 나타나며, 델타의 주요 발생지는 시상(thalamus)이다.

수면은 기억의 통합과 관련이 있기 때문에,
델타 주파수는 전기적 기억 형성과 습득한 기술 및 학습된 정보의 내부 정리에 핵심적인 역할을 한다.

 

*연구 예시

• 수면 및 수면 장애
  파킨슨병, 치매, 조현병과 같은 특정 신경 질환은 종종 수면 장애를 동반한다.
  수면 중 EEG 모니터링은 수면의 깊이와 수면 장애와 관련된 잠재적 위험을 파악하는 데 도움이 된다.
• 알코올 중독과 수면
  알코올은 수면에 강한 부작용을 미친다.
  과도한 음주는 서파 수면을 감소시키며, 이로 인해서 기억 통합과 관련된 델타 주파수를 감소시킨다.
  이 현상은 오랜 금주 후에도 지속될 수 있다(Colrain et al., 2009).

 

세타 밴드 (4 - 8 Hz)

4 – 8 Hz 주파수 범위 내의 뇌 진동은 세타 밴드라 불린다(Niedermeyer & da Silva, 2012).

전두엽 세타 활동은 주의 집중 및 정보 수용, 처리, 학습, 기억 회상과 같은 정신적 작업의 난이도와 연관다는 것을 발견하였다.

작업의 난이도가 높아질수록 세타 주파수가 더욱 두드지며, 일반적으로 정신적 작업 부하나 작업 기억과 관련된 뇌 활동을 나타낸다

(Klimesch, 1996; O'Keefe & Burgess, 1999; Schack, Klimesch & Sauseng, 2005).

세타는 대뇌 피질 모두, 즉 내측 전두엽 영역부터 중심, 두정엽, 내측 측두엽 피질을 포함한 광범위한 네트워크에 의해 생성된다.

세타는 뇌의 먼 영역들 간의 인지 처리의 전달 주파수로 작용하는 것으로 보인다(Mizuhara, Wang, Kobayashi & Yamaguchi, 2004).

 

*연구 예시

• N-back task
  응답자는 화면에 표시되는 연속적인 문자, 숫자 또는 아이콘을 보며 'N'단계 전의 요소를 기억하고,
  해당 요소가 어떤 특정 특징을 가지고 있는지 응답한다.
  작업 부하와 세타 파워는 기억할 요소의 범위가 길어질수록 증가한다.
  (예: N = 6일 때 N = 2보다 더 증가함; 자세한 내용은 Onton, Delorme & Makeig, 2005 참조).
• 공간 탐색
  실제 환경이나 가상 현실에서의 탐색 작업 중, 복잡한 미로 시스템이나 경로의 중요한 지점에서 작업 부하와 세타가 증가하는 것으로 나타났다(Kahana et al., 1999).

 

알파 밴드 (8 - 12 Hz)

알파는 1929년 한스 버거에 의해 처음 발견되었다.

8 – 12 Hz 주파수 범위 내의 주기적인 특징을 가진 진동 활동으로 정의된다(Niedermeyer & da Silva, 2012).

알파 파는 감각, 운동 및 기억 기능을 반영하는 여러 기능적 관련이 있다.

눈을 감은 상태에서 정신적 및 신체적 이완 상태에 있을 때, 알파 밴드 파워가 증가하는 것을 볼 수 있다.

반대로 눈을 뜬 상태에서 정신적 또는 신체적 활동을 할 때, 알파 파워는 감소하거나 억제된다.

알파 억제는 정신적 활동 및 몰입 상태의 유효한 표시로, 어떤 자극에 대한 집중된 주의 상태를 나타냅니다(Pfurtscheller & Aranibar, 1977).

 

*연구 예시

• 명상
  알파는 일반적으로 이완과 감각 억제를 반영한다.
  명상 연구에서는 숙련된 명상가와 초보 명상가의 알파 레벨을 비교한다. (Klimecki et al).
• 바이오피드백 훈련
  알파 밴드 파워를 모니터링하여 응답자의 이완 정도를 추적한다.
  알파 파워가 증가하면 더 깊은 이완을 의미하고,  재활 시나리오나 임상 인구에서 유용하다.
•  주의력
  공간적, 의미적 및 사회적 주의력은 알파 파워와 밀접한 관련이 있다.
  연구자들은 종종 화면에 복잡한 사회적 자극(객체, 단어)을 제시하고 암기 단계에서 알파 파워를 모니터링한다.
  성과가 좋지 않거나 주의가 산만한 응답자는 일반적으로 더 높은 알파 파워를 보인다(Rana & Vaina, 2014).

 

베타 밴드 (12 - 25 Hz)

12 – 25 Hz 범위 내의 진동을 베타라고 부른다(Niedermeyer & da Silva, 2012).

후두엽과 전두엽에서 생성되고, 적극적이거나 바쁘거나 불안한 사고 및 적극적인 집중은 높은 베타 파워와 관련이 있다.

손가락의 세밀한 움직임과 집중된 주의가 필요한 동작을 계획하거나 실행할 때 중심 피질(운동 영역)에서 베타 파워가 강해진다.

다른 사람의 신체 움직임을 관찰할 때도 베타 파워의 증가가 관찰된다.

뇌가 다른 사람의 사지 움직임을 모방하는 미러 뉴런 시스템이 뇌에 존재하고 베타 주파수에 의해서 조정이 된다(Zhang et al., 2008).

 

*연구 예시

• 운동 제어
  운동 제어 연구에서는 응답자가 실제 존재하는 물체 또는 가상 현실에서 화면에 시뮬레이션된 물체를 잡거나 향하도록 요구한다.
  손가락이나 사지에 부착된 촉각 로봇을 통해 목표 물체의 물리적 특성을 모방하여 촉각 피드백을 제공한다.
  파킨슨병, 다발성 경화증(MS) 등 기타 신경퇴행성 질환 환자와 연령이 일치하는 건강한 대조군을 비교하기도 한다(Lainscsek et al., 2013).
• 자극 유발 경각심
  극단적인 빛/소리 자극이나 각성 및 주의 처리 수준을 조절하는 정신 자극제 사용 중에 베타 주파수가 모니터링 된다.

 

감마 밴드 (25 Hz 이상)

아직까지는 감마 주파수는 EEG 연구는 불확실한 영역이다.
감마 주파수가 뇌의 정확히 어디서 생성되며 이 진동이 무엇을 반영하는지 아직 명확하지 않다.
일부는 감마가 세타와 유사하게 다양한 감각 인상을 하나의 통합된 형태로 묶는 주파수로 작용하여, 주의 과정을 반영한다고 주장한다.
반면, 다른 연구자들은 감마 주파수가 안구 운동 및 미세사크(미세 안구운동)와 같은 다른 신경 과정의 부산물일 수 있으며, 인지 처리를 반영하지 않는다고 주장한다. 향후 연구는 감마의 역할을 보다 자세히 다룰 필요가 있다.

 

*연구 예시

• 미세 안구운동 연구
  고해상도 시선 추적과 EEG를 결합하여 미세 안구운동이 EEG 감마 주파수에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.
  자극은 대부분 화면 기반이며, 화면의 다양한 위치에 고정 타겟이 나타난다(Dimigen et al., 2009).

 

References

https://go.imotions.com/eeg-guide

https://go.imotions.com/eeg-guide