[논문]청각적 Oddball 작업 수행 시 난이도에 따른 사건관련 전위 및 감마대역 활동 변화 특성

최정우; 윤진; 김지현; 김경환

doi:10.9718/jber.2009.30.4.306

문제 정의

본 연구에서는 청각적 oddball 작업을 수행하면서 측정된 사건 관련 뇌전위를 기반으로 난이도에 따른 대뇌피질의 정보처리 과정의 변화를 분석하고자 하였다. 특히 난이 도를 달리 하여 작업을 수 행할 때 정보처리 과정에 관여하는 신경세포들 혹은 이들의 연합을 반영하는 지표 중 하나인 감마대역 활동 분석을 통하여 난이도에 따라뇌의 정보처리 과정의 기전이 어떻게 변화하는지에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다.
특히 난이 도를 달리 하여 작업을 수 행할 때 정보처리 과정에 관여하는 신경세포들 혹은 이들의 연합을 반영하는 지표 중 하나인 감마대역 활동 분석을 통하여 난이도에 따라뇌의 정보처리 과정의 기전이 어떻게 변화하는지에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. 본 저자들의 선행연구에서 시각적으로 제시된 oddball task를 통하여 확인된 난이도에 따른 변화가 청각적으로 자극이 제시된 경우에도 비슷한 양상으로 발생하는지를 확인하여 자극으 modality에 관계없이 공통적으로 나타나는 난이도에 따른 변화를 관찰하고자 하였다. 또한 선행연구들에서 확인된 P300 요소의 분석 결과와 감마대 역 활동의 분석 결과를 비교하면서 난이도에 따른 뇌의 순차적 활성 패턴의 특징을 관찰해보고자 하였다.
본 저자들의 선행연구에서 시각적으로 제시된 oddball task를 통하여 확인된 난이도에 따른 변화가 청각적으로 자극이 제시된 경우에도 비슷한 양상으로 발생하는지를 확인하여 자극으 modality에 관계없이 공통적으로 나타나는 난이도에 따른 변화를 관찰하고자 하였다. 또한 선행연구들에서 확인된 P300 요소의 분석 결과와 감마대 역 활동의 분석 결과를 비교하면서 난이도에 따른 뇌의 순차적 활성 패턴의 특징을 관찰해보고자 하였다.
본 연구에서는 청각적 oddball 작업 수행 시 사건관련전위 및 감마 대역 활동의 분석을통하여 난이도에 따른대뇌피질의 정보처리 과정 의 변화를 관찰하고자 하였다. 감마대 역 파워 의 증가는 지 각, 기억, 집행 기능 등 고위 뇌기능에 관여하는 binding processing 신경세포 및 신경 네트워크 들 간의 기능적 연결을 반영하는 것으로 알려져 있다[6].

제안 방법

변화를 분석하고자 하였다. 특히 난이 도를 달리 하여 작업을 수 행할 때 정보처리 과정에 관여하는 신경세포들 혹은 이들의 연합을 반영하는 지표 중 하나인 감마대역 활동 분석을 통하여 난이도에 따라뇌의 정보처리 과정의 기전이 어떻게 변화하는지에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. 본 저자들의 선행연구에서 시각적으로 제시된 oddball task를 통하여 확인된 난이도에 따른 변화가 청각적으로 자극이 제시된 경우에도 비슷한 양상으로 발생하는지를 확인하여 자극으 modality에 관계없이 공통적으로 나타나는 난이도에 따른 변화를 관찰하고자 하였다.
그림 1 은 실험에 사용된 자극 제시 방법의 개략도이다. 주의 집중을 위해 17인치 LCD 모니터로 검은 배경에 노란색, +, 기호를 제시해 준 후 헤드폰(Senreiser HD25SP1)을통해 두가지의 서로다른주파수를 갖는 순음(pure tones)들을 목표자극(target stimulus)과 표준자극(standard stimulus)으로 제시하였다. 각 자극은 70 ms (rising time: 10 ms, falling time: 10 ms) 동안 제시되었고, 자극 간 간격은 2000 ms 였다.
각 자극은 70 ms (rising time: 10 ms, falling time: 10 ms) 동안 제시되었고, 자극 간 간격은 2000 ms 였다. 한회 실험 당9분동안총270개의 자극이 임의의 순서로 제시 되 었고, 목표자극과 표준자극의 발생 빈도수는 1:4가 되 도록 하였으며 목표자극에 대해서 만 피 험 자가 왼쪽 마우스 버 튼을 클릭 하도록 사전에 지시하였다. 2가지의 난이도를 갖는 oddball 작업 수행을 위하여 표준자극과 목표자극의 주파수 간 차이를 조절하였다.
한회 실험 당9분동안총270개의 자극이 임의의 순서로 제시 되 었고, 목표자극과 표준자극의 발생 빈도수는 1:4가 되 도록 하였으며 목표자극에 대해서 만 피 험 자가 왼쪽 마우스 버 튼을 클릭 하도록 사전에 지시하였다. 2가지의 난이도를 갖는 oddball 작업 수행을 위하여 표준자극과 목표자극의 주파수 간 차이를 조절하였다. 즉, 쉬운 난이도의 실험 시 표준자극 및 목표자극의 주파수는 각각 1000 Hz, 2000 Hz 였으며 어려운 난이도의 경우 표준자극 및 목표자극의 주파수는 각각 1900 Hz, 2000 Hz로 구별을 어렵게 하였다.
즉, 쉬운 난이도의 실험 시 표준자극 및 목표자극의 주파수는 각각 1000 Hz, 2000 Hz 였으며 어려운 난이도의 경우 표준자극 및 목표자극의 주파수는 각각 1900 Hz, 2000 Hz로 구별을 어렵게 하였다. 각 난이도별로 2회씩 실험하여 전체 실험시간은 36분이었고, 각 실험 사이에 약 5분의 휴식시간이 주어졌다.
뇌 파 측정용 전극모자(EASYCAP, FMS, Munich, Germany) 를 사용하여 확장된 10/10 시스템에 따라 배치된 61개 Ag/AgCl 전극으로부터 500 #의 샘플링율로 뇌 파를 기록 하였다 (뇌 파 기록 시스템; BrainProducts GmbH, Munich, Germany). 각 전극의 임피던스는 10 0이하로 하였고, 아티팩트의 영향을 줄이기 위해 0.
평균 ERP 요소는 저주파 성분들로 구성되기 때문에 측정된 뇌파를 20# 저 대역 필터링 후자극제시 시점을기준으로-500ms 에서 1000 ms 구간에서의 단일 시행 ERP파형을 추출하였다. 이후 -100 ms에서 +100 ms 구간의 평균값을 각각의 단일시행 ERP 파형에서 빼줌으로써 기준점 (baseline) 을 보정하였다.
이후 -100 ms에서 +100 ms 구간의 평균값을 각각의 단일시행 ERP 파형에서 빼줌으로써 기준점 (baseline) 을 보정하였다. 이 중 한 채널에서라도±100 nV 이상의 크기가관찰된 단일 시행은 아티팩트가 포함된 것으로 간주하여 제외한 다음 앙상블평균(ensemble average)을 수행하여 평균 ERP파형을 얻었다. 각 피험자들의 평균 ERP파형을 평균한 전체평균 ERP (grand-averaged ERP) 파형을 얻은 후 전체평균 ERP파형의 정 점 (peak)의 크기와 잠복기 (latency) 및 토포그래피 (topography) 등을 고려하여 ERP 요소를 정의 하였다.
이 중 한 채널에서라도±100 nV 이상의 크기가관찰된 단일 시행은 아티팩트가 포함된 것으로 간주하여 제외한 다음 앙상블평균(ensemble average)을 수행하여 평균 ERP파형을 얻었다. 각 피험자들의 평균 ERP파형을 평균한 전체평균 ERP (grand-averaged ERP) 파형을 얻은 후 전체평균 ERP파형의 정 점 (peak)의 크기와 잠복기 (latency) 및 토포그래피 (topography) 등을 고려하여 ERP 요소를 정의 하였다. P300 요소의 크기가 작업 난이 도에 따라 유의미 한차이 를 보이 는지 확인하기 위하여 t-test로 난이도 간 비교 분석 하였다 [8].
transfdrm을 사용하였다. 본 연구에서는 각 단일시 행 파형이 750샘플이었고, 먼저 1~8#샘플을 80 point-Hanning window를 사용하여 1024 point로 Fast Fourier Transform한 후 시간 영 역에서 1샘플씩 window를 이동시키면서 연속적으로 FFT 해줌으로써 시간 영역의 신호를 시간-주파수영역의 신호로 변환하였다. 이후 가로축을 시 간, 세로축을 주파수로 하여 시 간-주파수 영역 그래프로 나타냄으로써 시간에 따른 주파수 특성의 변화를 관찰하기 용이하도록 하였다.
본 연구에서는 각 단일시 행 파형이 750샘플이었고, 먼저 1~8#샘플을 80 point-Hanning window를 사용하여 1024 point로 Fast Fourier Transform한 후 시간 영 역에서 1샘플씩 window를 이동시키면서 연속적으로 FFT 해줌으로써 시간 영역의 신호를 시간-주파수영역의 신호로 변환하였다. 이후 가로축을 시 간, 세로축을 주파수로 하여 시 간-주파수 영역 그래프로 나타냄으로써 시간에 따른 주파수 특성의 변화를 관찰하기 용이하도록 하였다.
감마대역 활동의 분석은 위상이 동기화된 evoked GBA와 induced GBA 등 두 가지 측면에서 수행하였다. evoked GBA는각각의 단일시행 시 자극제시 시점을 기준으로 거의 같은 시간에 발생하는 양상을 보이며 주로 자극제시 후 초기(약 100 ms)에 발견되는 것으로 알려져 있다.
결론적으로 본 연구에서 청각적 oddball 작업을 수행하면서 얻은 뇌전도의 사건관련 전위 분석과감마대역 활동 분석을 통해 난이도 간에 발생한 차이를 비교해 봄으로써 작업 난이도에 따른 대뇌피질의 정보처리 특성의 변화에 대해 분석할 수 있었다. 추후 이와 같은 결과들과 대뇌 피질의 여러 영역들 간의 기능적연결성 (functional connectivity)과 인과성 (causality)을 분석할 수 있는 방법을 함께 사용하여 대뇌 정보처리 시 기능적 통합 측면에서의 특성 을 추가적 으로 관찰하고자 한다.
시스템; BrainProducts GmbH, Munich, Germany). 각 전극의 임피던스는 10 0이하로 하였고, 아티팩트의 영향을 줄이기 위해 0.03에서 100 Hz의 대역통과 필터와 60 Hz의 노치 필터를 적용하였다.

대상 데이터

16명의 피험자(남:9, 여:7)가실험에 참여하였으며 이들 모두는 신경 및 정신과적 질환경력이 없고오른손잡이인 대학생들로써 평균 연령은 23.9H.8세였다. 그림 1 은 실험에 사용된 자극 제시 방법의 개략도이다.

데이터처리

각 피험자들의 평균 ERP파형을 평균한 전체평균 ERP (grand-averaged ERP) 파형을 얻은 후 전체평균 ERP파형의 정 점 (peak)의 크기와 잠복기 (latency) 및 토포그래피 (topography) 등을 고려하여 ERP 요소를 정의 하였다. P300 요소의 크기가 작업 난이 도에 따라 유의미 한차이 를 보이 는지 확인하기 위하여 t-test로 난이도 간 비교 분석 하였다 [8].

이론/모형

D. 주파수분석

주파수특성의 시간적 변화를 관찰하기 위하여 short-term Fourier transfdrm을 사용하였다. 본 연구에서는 각 단일시 행 파형이 750샘플이었고, 먼저 1~8#샘플을 80 point-Hanning window를 사용하여 1024 point로 Fast Fourier Transform한 후 시간 영 역에서 1샘플씩 window를 이동시키면서 연속적으로 FFT 해줌으로써 시간 영역의 신호를 시간-주파수영역의 신호로 변환하였다.

성능/효과

17채널 중P300 요소가 가장 두드러지게 나타난 채널(Fz, Cz, Pz)에 대해 통계분석을 수행하였고, 그 결과 난이도에 따라 P300 요소의 크기에 현저한 차이가 있음을 발견하였다. 쉬운 난이도에서의 P300 요소의 크기가 유의하게 증가하였고 (t-test, p<0.02 at Fz, Cz, and Pz), 잠복기는 유의하게 감소하였다 (쉬운 난이도 371.63 ±23.98 ms, 어려운 난이도: 411.31 ±22.006 tns, p<0.001 at Fz, 쉬운 난이도: 359.5 ± 34.25 ms, 어려운 난이도: 410.75 ±23.093 ms, p<0.001 at Cz, 쉬운 난이도 363.75 ±30.462 ms, 어려운 난이도 404.63 ±25.168 ms, p<0.001 atPz).
쉬운 난이도의 경우자극제시 후약200ms부터 전체 감마대역에서 강한 spectral power의 증가를 보인 반면, 어려운 난이도의 경우 400 ms 이후에서야 비교적 약한 증가를 보였다. 가장 큰 차이를 보이는 시간주파수 구간 (200~500 ms, 30~45 Hz)을 기준으로 난이도 간 통계적 분석을수행한 결과, inducedGBA 파워는쉬운 난이도에서의 증가가어려운난이도에서의 증가에 비해 유의하게 컸고 (p<0.001 at Fz, p<0.001 at Cz, p= p<0.001 at Pz), frontal, central 영역에서 induced GBA가 정점에 도달하는 쉬운 난이도에 대해 어려운난이도보다유의하게 짧았다(쉬운난이도: 364.94 土 73.055 ms, 어려운 난이도: 448.31 ±68.294 ms, p=0.002 at Fz; 쉬운 난이도: 370 ±66.698 ms, 어려운 난이도: 446.56 ±67.823 ms, p=0.005 at Cz).
감마대 역 파워 의 증가는 지 각, 기억, 집행 기능 등 고위 뇌기능에 관여하는 binding processing 신경세포 및 신경 네트워크 들 간의 기능적 연결을 반영하는 것으로 알려져 있다[6]. evokedGBA의 유의미한증가는쉬운 난이도 조건과 어려운 난이도 조건 모두에서 약 자극 제시 후 100 ms에서 강하게 나타났다. 이는 초기 감각정보 처리 과정으로 판단되며 선행 연구들에서도 동일하게 나타났다[7, 11].
최근 초기 evoked GBA의 활성화는 기억 내에 저장된 이전의 정보와 새롭게 입력된 정보를 서로 비교하여 이후 판단과정 에 활용하기 위한, match, 과정에 의해 발생한다는 가설이 제시되었다[6]. 이에 따라본 연구에서 관찰된 evokedGBA 가 비교적 빠른 시간 내에 일어나는 입력정보와 저장된 정보 사이의 단순한 match과정 에 의해 발생하는 것으로 가정하면 단순히 청각 자극에 반응하는 감각영역 내 신경세포들 간의 연합을 반영하는 것으로 유추할 수 있으며 따라서 난이도에 따라 큰 변화를 보이지 않은 결과가 타당한 것으로 판단된다.
쉬운 난이 도의 경우 자극 제시 후 약 200 ms부터 전체 감마대 역 에서 induced GBA 가 강하게 증가한 반면, 어려운 난이도의 경우 400 ms 이후에서야 비교적 약한 증가가 관찰되었다. 또한 정점의 잠복기는 어려운 난이도에서 쉬운 난이도에 비해 통계적으로 유의하게 지연됨이 확인되었다. 이는 어려운 난이도에서 P300요소의 크기가 감소하고 잠복기도 지연되는 것과 매우 비슷한 양상을 보이는 것으로 판단된다[2, 3, 12].
이를 통해 시각적으로 입력 된 감각 정보가 대뇌 에서 처 리될 때, 난이도에 의해 대뇌 정보처리 과정의 시간적 특성 및 주파수 특성이 변화함을 확인할 수 있다. 본 논문에서 청각적인 자극을 이용하여 구성된 oddball task에서도 이와 유사한 특징들이 발견된 것은 작업의 난이도에 따른 대뇌 활성화 패턴의 시간적 특성 및 주파수 특성 변화가 자극의 modality에 무관한 공통적 특성을 갖는 것으로 해석할 수 있다.
먼저 쉬운 난이도에서 P300요소는 약 300-400 ms, 어려운 난이도에서는 약350-450 ms 에서 central region을 중심으로 한 넓은 영역에서 관찰되었다. 17채널 중P300 요소가 가장 두드러지게 나타난 채널(Fz, Cz, Pz)에 대해 통계분석을 수행하였고, 그 결과 난이도에 따라 P300 요소의 크기에 현저한 차이가 있음을 발견하였다. 쉬운 난이도에서의 P300 요소의 크기가 유의하게 증가하였고 (t-test, p<0.

후속연구

추후 이와 같은 결과들과 대뇌 피질의 여러 영역들 간의 기능적연결성 (functional connectivity)과 인과성 (causality)을 분석할 수 있는 방법을 함께 사용하여 대뇌 정보처리 시 기능적 통합 측면에서의 특성 을 추가적 으로 관찰하고자 한다.

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