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문제 정의
- 이러한 감각통합의 공간 및 시간적 특성은 감각통합장애의 원인을 설명할 수 있는 실마리를 제공할 것이다. 본 연구는 유발전위검사를 통하여 시각과 촉각 통합 과정의 시간적 경로와 통합이 일어나는 뇌의 부위를 측정하였다. 유발전위검사란 특정시간(time-locked)에 반복적으로 감각자극을 제시하고 이에 따라 반응하는 신경세포의 전기생리적활동 (Electrophysiological Activities)을 측정하는 신경과학적 연구방법이다.
- 이 연구는 시각과 촉각의 통합작용이 일어나는 뇌의 신경기제에 대해 알아보기 위하여 유발전위검사(Eventrelated potentials)통해 연구하였다. 결과에서 언급한 바와 같이 뇌의 시각 및 촉각의 통합작용은 각각의 단일 자극과 관련된 신경세포활동의 선형적 합과 같지 않음을 증명하고 있다.
가설 설정
- 2002). 가령, 바구니에 공을 던진다고 가정해보자. 우리는 목표지점에 집중하기 위해 시각적 정보를 사용하며 동시에 공을 잘 조절하여 던지기 위해 손바닥과 손가락으로부터의 체감각 정보를 사용할 것이다.
- , 1996). 일반적으로 감각통합이라고 하면 우리의 뇌에 시각정보와 촉각정보가 독립적으로 입력되는 것으로써 시각에 의한 신경세포활동과 촉각에 의한 신경세포활동의 단순 선형합이라고 여겨 질 수 있겠으나, 본 연구에서는 시각-촉각 통합 시 발생되는 유발전위가 단일감각의 독립적 처리 과정에서 발생하는 유발전위들의 총합계와 일치하지 않는다는 가설에 기초하고 있다.
제안 방법
- 유발전위(Evoked Potential;EPs)는 은/염화은(Ag/AgCl)전극을 통해 15개의 영역(Fp1, Fp2, P3, P4, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, Fz, Cz, Pz)에서 측정되었다. 15개의 영역은 International 10-20 system(그림2)에 근거하여 선정되었고 추가적으로 기준 전극(reference electrode)와 접지전극(ground electrode)을 각각 이마와 양 귓불에 접지하였다. 안전도(ElectroOculograms; EOGs)를 동시에 측정하여 눈을 깜박거리는 움직임에 의한 체계적 잡음신호를 제거하였다.
- 그림 2. International 10-20 system: 위쪽에서 두상을 내려다 본 그림이며, 이 전극들 중 노란색 원으로 표시된 총 15군데 전극(Fp1, Fp2, P3, P4, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, Fz, Cz, Pz)에서 유발전위를 측정함.
- 동시에 시각과 촉각을 제시한 조건의 유발전위(SIM)와 각각의 시각유발전위(VEP)와 촉각유발전위(SEP)값을선형적으로 합한 값(SUM)을 비교하였다. 또한 SIM과 SUM간의 절대차이값((|simultaneous(SIM)| summed (SUM)|, absDIFF)을 계산하였다.
- 동시에 시각과 촉각을 제시한 조건의 유발전위(SIM)와 각각의 시각유발전위(VEP)와 촉각유발전위(SEP)값을선형적으로 합한 값(SUM)을 비교하였다. 또한 SIM과 SUM간의 절대차이값((|simultaneous(SIM)| summed (SUM)|, absDIFF)을 계산하였다.
- 이러한 관점에서 보면, 감각통합이 일어나면 상위레벨로부터의 되먹임이 어느 정도의 추가적인 감각통합과 관련된 신경세포 활동을 만들어 낼 것이며, 따라서 피질영역에서 측정되는 감각 자극의 총 양이 증가될 것임을 추론해낼 수 있다. 본 연구는 그 추론에 대한 근거를 유발전위검사 방법을 통해 제공한다.
- 다감각자극 시 동측 전두엽(F4)에서 측정되는 세포활동은 기존 문헌을 통해서도 확인할 수 있다. 본 연구에서 또한 SIM조건에서만 늦은 시간 구간에서 촉각자극을 제공한 측의 반대편(contralatera)영역 다시 말해 오른쪽 전두엽(F4)에서 추가적인 신호가 측정되었다. 이는 촉각과 시각을 동시에 제공하였을 시 주의력(attention)과 관련된 신경세포활동이 전두엽에서 더 활성화되었고, 이는 촉각이 들어오는 쪽 대뇌반구에 대한 주의가 상승한 것으로 보인다.
- 전두엽은 F3, Fz, F4, 중앙엽은 C3, Cz, C4, 두정엽은 P3, Pz, P4 ,그리고 후두엽은 O1,O2의 전극에서 각각 측정하였음. 시각 및 촉각 자극이 제시되는 시점(event onset)을 기준으로 600ms 구간을 분석함.
- 시각유발전위(Visual Evoked Potential; VEP), 촉각유발전위(Somatosensory Evoked Potential; SEP), 그리고 시각과 촉각자극을 동시에 주는 유발전위(Simultaneous; SIM)을 시행하였다. 유발전위(Evoked Potential;EPs)는 은/염화은(Ag/AgCl)전극을 통해 15개의 영역(Fp1, Fp2, P3, P4, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, Fz, Cz, Pz)에서 측정되었다.
- 시각자극을 위해서 reversal on-off checkerboard를 사용하였으며 onset과 offset checkerboard는 총 34msec 동안 제시되었다(1Hz for a set of on-off checkerboard). 총 100회의 시각자극을 반복 제시하였다.
- 15개의 영역은 International 10-20 system(그림2)에 근거하여 선정되었고 추가적으로 기준 전극(reference electrode)와 접지전극(ground electrode)을 각각 이마와 양 귓불에 접지하였다. 안전도(ElectroOculograms; EOGs)를 동시에 측정하여 눈을 깜박거리는 움직임에 의한 체계적 잡음신호를 제거하였다. 두피의 저항은 10kΩ으로 균일하게 맞춰주었으며, 신호의 필터값은 low band pass filter(50Hz)로 설정해주었다.
- 우리는 뇌에서 일어나는 감각통합 현상을 유발전위검사를 통해 정량적으로 측정하고, 수학적인 계산을 통해 두 개의 단일 감각(시각-촉각)의 신경세포활동들의 선형 합계와 이 두 자극들이 동시에 제시되었을 때의 신경세포활동을 기록하여 비교하였다 (Brett-Green, et. al., 2008; Senkowski, et. al., 2008; Foxe, et. al., 2000; Okajuma, et. al., 1996). 일반적으로 감각통합이라고 하면 우리의 뇌에 시각정보와 촉각정보가 독립적으로 입력되는 것으로써 시각에 의한 신경세포활동과 촉각에 의한 신경세포활동의 단순 선형합이라고 여겨 질 수 있겠으나, 본 연구에서는 시각-촉각 통합 시 발생되는 유발전위가 단일감각의 독립적 처리 과정에서 발생하는 유발전위들의 총합계와 일치하지 않는다는 가설에 기초하고 있다.
- 시각유발전위(Visual Evoked Potential; VEP), 촉각유발전위(Somatosensory Evoked Potential; SEP), 그리고 시각과 촉각자극을 동시에 주는 유발전위(Simultaneous; SIM)을 시행하였다. 유발전위(Evoked Potential;EPs)는 은/염화은(Ag/AgCl)전극을 통해 15개의 영역(Fp1, Fp2, P3, P4, C3, C4, P3, P4, O1, O2, T3, T4, Fz, Cz, Pz)에서 측정되었다. 15개의 영역은 International 10-20 system(그림2)에 근거하여 선정되었고 추가적으로 기준 전극(reference electrode)와 접지전극(ground electrode)을 각각 이마와 양 귓불에 접지하였다.
- 신호를 계수화하기 위한 sampling rate는 256Hz(약 39ms에 한번 씩 신호를 받음)으로 설정하였다. 자극이 주어진 시점(event onset)의 -200ms을 기준구간(baseline)으로 정하였고, 시각, 촉각, 동시 조건 모두 각각의 event onset으로부터 600ms 구간동안 발생하는 유발전위 신호를 분석하였다. Independent Component Analysis(ICA)라는 분석방법을 통해 다른 혼란요소에 의해 유발되는 잡음요소들을 제거하였다.
- 촉각자극은 모든 피험자의 왼쪽 아래팔(forearm)의 정중신경(median nerve)이 자극될 수 있도록 제시하였다. 사용된 촉각자극은 저주파 전기자극으로서 인체에 무해함을 입증 받은 상업용 FES(Functional Electrial Stimulator, Walking-Man II (주)싸이버메딕)을 사용하였으며, pulse duration은 400μs, frequency는 1 per second (1Hz)이다.
- 시각자극을 위해서 reversal on-off checkerboard를 사용하였으며 onset과 offset checkerboard는 총 34msec 동안 제시되었다(1Hz for a set of on-off checkerboard). 총 100회의 시각자극을 반복 제시하였다.
- 전기자극의 세기는 피험자의 정중신경이 자극되어 손끝에 짜릿한 감각이 느껴질 만큼 충분한 세기이지만, 자극이 너무 쎄서 근육경련(muscle twitching)이 일어나지 않는 범위(3-6mA) 내에서 개별 촉각 민감도에 따라 조정되었다. 총 100회의 촉각자극을 반복 제시하였다.
대상 데이터
- 본 연구는 신경학적으로 이상이 없는 건강한 성인 5명이 참여하였으며(여자 2명, 평균나이 24세, 나이 분포 22-26세) 모두 오른손잡이였다. 우세손 평가는 Edinburgh Dominant Handedness 검사를 통해 측정하였다.
- 사용된 촉각자극은 저주파 전기자극으로서 인체에 무해함을 입증 받은 상업용 FES(Functional Electrial Stimulator, Walking-Man II (주)싸이버메딕)을 사용하였으며, pulse duration은 400μs, frequency는 1 per second (1Hz)이다.
데이터처리
- 5명의 평균 SIM과 SUM을 비교하기 위해 Paired t-test를 시행하였다. 분석한 구간인 600ms 내 모든 sampling points를 모두 통계 분석하였고, 한 sampling point의 유의 수준은 p<0.
- 분석한 구간인 600ms 내 모든 sampling points를 모두 통계 분석하였고, 한 sampling point의 유의 수준은 p<0.1으로 정하였다.
이론/모형
- 자극이 주어진 시점(event onset)의 -200ms을 기준구간(baseline)으로 정하였고, 시각, 촉각, 동시 조건 모두 각각의 event onset으로부터 600ms 구간동안 발생하는 유발전위 신호를 분석하였다. Independent Component Analysis(ICA)라는 분석방법을 통해 다른 혼란요소에 의해 유발되는 잡음요소들을 제거하였다.
- 본 연구는 신경학적으로 이상이 없는 건강한 성인 5명이 참여하였으며(여자 2명, 평균나이 24세, 나이 분포 22-26세) 모두 오른손잡이였다. 우세손 평가는 Edinburgh Dominant Handedness 검사를 통해 측정하였다.
성능/효과
- 특히나 촉각자극을 제공한 반대측(contralateral) 뇌영역 및 양쪽 시각영역에서 두 조건 간 통계학적으로 유의미한 차이를 보였다. 179-237ms 구간에서 촉각자극을 제공한 왼손의 반대편인 우측 일차체성감각영역(C4)에서 SUM보다 SIM조건의 유발전위의 크기가 더 크게 나타났다. 시각유발전위 역시 양쪽 시각영역에서 특정시간에서, O1전극의 245~300ms구간과 O2전극의 259~296ms구간 , SIM조건의 유발전위신호가 더 크게 나타남을 보였다.
- 179~237ms구간에 C4전극의 유발전위신호가 SIM(‘observed’condition)조건에서 SUM(‘predicted’condition)보다 크게 나타났다.
- 이와 더불어 SIM과 SUM조건간의 절대차이값(absDiff)은 검은색선으로 표시하였다. 시각과 촉각을 동시에 제공한 SIM조건이 SUM보다 대부분 전극들(frontal, central, parietal, occipital electrodes)의 특정 시간 구간에서 유발전위신호가 높게 나타나는 양상을 보였다.
- 179~237ms구간에 C4전극의 유발전위신호가 SIM(‘observed’condition)조건에서 SUM(‘predicted’condition)보다 크게 나타났다. 시각영역에서는 N145 및 P200 요소의 유발전위신호가 SUM 보다 SIM에서 각각의 극값으로 더 증폭되는 모습을 보였다. 특히, 245-300ms 시간구간동안 O1전극에서 그리고 259-296ms 시간구간동안 O2전극에서 유발전위의 신호가 SIM조건에서 SUM조건보다 더 크게 나타났다(그림3).
- 179-237ms 구간에서 촉각자극을 제공한 왼손의 반대편인 우측 일차체성감각영역(C4)에서 SUM보다 SIM조건의 유발전위의 크기가 더 크게 나타났다. 시각유발전위 역시 양쪽 시각영역에서 특정시간에서, O1전극의 245~300ms구간과 O2전극의 259~296ms구간 , SIM조건의 유발전위신호가 더 크게 나타남을 보였다. 보통 촉각과 관련된 유발전위신호는 70-80ms에서 나타나며 시각 관련된 유발전위신호는 100ms구간에 발생함을 고려했을 시, 위처럼 SIM조건에서만 나타나는 굉장히 늦은 시간구간의 신경세포활동은 두 개의 감각통합에 의해 발생되는 추가적인 신경세포활동을 반영하고 있다.
- 감각 통합이란 두 개의 단일감각이 합해지는 과정이라기보다 통합으로 인한 부가적인 2차적 과정을 포함한다. 실제로 유발전위검사방법을 통해 각각의 시각 및 촉각유발전위의 선형합(SUM)과 두 감각을 동시에 제공했을 시 유발전위(SIM)를 비교한 결과, 일차적 체성감각영역, 두정엽, 시각영역 등 대부분의 뇌의 영역에서 SIM조건의 유발전위크기가 SUM조건보다 크게 나타남을 보였다. 특히나 촉각자극을 제공한 반대측(contralateral) 뇌영역 및 양쪽 시각영역에서 두 조건 간 통계학적으로 유의미한 차이를 보였다.
- 이 연구는 유발전위신호검사(ERP)를 통해 두 개 이상의 감각을 통합할 시 뇌에서 세포활동은 단일감각관련 뇌세포를 수적으로 동원하는 것을 넘어 그 이상의 2차적이며 부가적인 통합을 위한 뇌세포 활동이 있음을 간접적으로 보여주고 있다. 하지만 이 연구의 단점으로는 아직까지 예비실험의 단계이기 때문에 5명의 소수에서 나타나는 특징에 대해 기술 한 것이나 추후의 연구에서는 더 많은 성인들을 대상으로 실험해볼 필요가 있으며, 더불어 감각통합에 문제를 겪고 있는 아동들을 대상으로도 검사하는 의미가 있을 것으로 예상된다.
- 그림 3. 총 5명의 ERP신호 총 평균(grand-average)값; SIM(observed condition)은 회색선으로, SUM(predicted condition)은 점선으로, 그리고 SIM과 SUM 두 신호간의 절대차이값(absDiff)은 검은색선으로 표시함. 전두엽은 F3, Fz, F4, 중앙엽은 C3, Cz, C4, 두정엽은 P3, Pz, P4 ,그리고 후두엽은 O1,O2의 전극에서 각각 측정하였음.
- 실제로 유발전위검사방법을 통해 각각의 시각 및 촉각유발전위의 선형합(SUM)과 두 감각을 동시에 제공했을 시 유발전위(SIM)를 비교한 결과, 일차적 체성감각영역, 두정엽, 시각영역 등 대부분의 뇌의 영역에서 SIM조건의 유발전위크기가 SUM조건보다 크게 나타남을 보였다. 특히나 촉각자극을 제공한 반대측(contralateral) 뇌영역 및 양쪽 시각영역에서 두 조건 간 통계학적으로 유의미한 차이를 보였다. 179-237ms 구간에서 촉각자극을 제공한 왼손의 반대편인 우측 일차체성감각영역(C4)에서 SUM보다 SIM조건의 유발전위의 크기가 더 크게 나타났다.
- 특히나, 전기자극을 제시한 왼손의 촉각영역과 관련된 뇌의 오른쪽 체성감각영역(somatosensory cortices)과 시각자극과 관련이 있는 양쪽 시각영역(occipital cortices)에서 유의미한 차이를 보였다. 179~237ms구간에 C4전극의 유발전위신호가 SIM(‘observed’condition)조건에서 SUM(‘predicted’condition)보다 크게 나타났다.
후속연구
- 이러한 시각-체감각 통합은 공을 던지기 위해 효과적으로 몸을 움직일 수 있도록 돕는 필수적인 정보통합과정이다 (Lewkowicz & Lickliter, 1994; Maravita, Spence, & Driver, 2003). 따라서 이처럼 운동조절 및 협응과 깊은 관계가 있는 시각과 체감각의 통합에 대한 신경생리학적 이해는 우리 몸의 움직임에 대한 더 깊은 이해를 도우며 더불어 치료사가 최상의 근거-기반 치료(evidence-based therapy)를 제공하는 데 도움이 될 것이다.
- 하지만 이 연구의 단점으로는 아직까지 예비실험의 단계이기 때문에 5명의 소수에서 나타나는 특징에 대해 기술 한 것이나 추후의 연구에서는 더 많은 성인들을 대상으로 실험해볼 필요가 있으며, 더불어 감각통합에 문제를 겪고 있는 아동들을 대상으로도 검사하는 의미가 있을 것으로 예상된다. 또한 본 연구에서는 촉각자극을 한쪽 즉 왼쪽에만 제시하고 유발전위를 측정하였는데 오른쪽에서 제시하는 실험을 추가하여 감각통합작용이 편측화되는 특성 없이 동일하게 일어나고 있음을 추가적으로 입증해야 할 것이다.
- 감각통합의 뇌기전 이해에 있어 중요한 관점은 감각의 통합이 뇌의‘어디’에서 일어나는가와 각각의 감각을 받아들여 뇌에서‘언제’통합되는가에 대한 정보이다. 이러한 감각통합의 공간 및 시간적 특성은 감각통합장애의 원인을 설명할 수 있는 실마리를 제공할 것이다. 본 연구는 유발전위검사를 통하여 시각과 촉각 통합 과정의 시간적 경로와 통합이 일어나는 뇌의 부위를 측정하였다.
- 이 연구는 유발전위신호검사(ERP)를 통해 두 개 이상의 감각을 통합할 시 뇌에서 세포활동은 단일감각관련 뇌세포를 수적으로 동원하는 것을 넘어 그 이상의 2차적이며 부가적인 통합을 위한 뇌세포 활동이 있음을 간접적으로 보여주고 있다. 하지만 이 연구의 단점으로는 아직까지 예비실험의 단계이기 때문에 5명의 소수에서 나타나는 특징에 대해 기술 한 것이나 추후의 연구에서는 더 많은 성인들을 대상으로 실험해볼 필요가 있으며, 더불어 감각통합에 문제를 겪고 있는 아동들을 대상으로도 검사하는 의미가 있을 것으로 예상된다. 또한 본 연구에서는 촉각자극을 한쪽 즉 왼쪽에만 제시하고 유발전위를 측정하였는데 오른쪽에서 제시하는 실험을 추가하여 감각통합작용이 편측화되는 특성 없이 동일하게 일어나고 있음을 추가적으로 입증해야 할 것이다.
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