남자고등학교 교실에서 발생하는 냄새(발냄새, 머리냄새, 쉰냄새, 땀냄새)와 대표악취물질(부티르산, 암모니아)에 대한 뇌파반응을 분석하였다. 냄새자극 시험은 30~50대의 여성을 대상으로 수행하였다. 교실냄새와 대표악취물질의 자극에 대한 뇌파 지표들의 변화 경향은 측두엽에서 가장 두드러지게 나타났다. 이들 악취물질의 측두엽에서 반응은 바탕뇌파대비 상대알파파를 0.04~0.13 감소시켰고, 상대베타파 0.02~0.06, 상대감마파를 0.03~0.09 증가시켰다. 교실냄새들과 두 악취물질들은 이완상태를 나타내는 알파파를 감소시켰고, 각성과 긴장 및 스트레스를 나타내는 고베타파(18~30Hz)와 불안과 흥분상태를 나타내는 감마파(30~50Hz)를 활성화시켰다. 냄새물질들의 뇌 각성 및 자극정도는 머리냄새 > 부트르산 > 발냄새, 쉰냄새 > 암모니아> 땀냄새 순이었다. 이러한 결과는 교실냄새가 과도한 각성이나 긴장을 유발하므로 수업 집중력이나 학습능력을 저해할 수 있음을 의미한다.
남자고등학교 교실에서 발생하는 냄새(발냄새, 머리냄새, 쉰냄새, 땀냄새)와 대표악취물질(부티르산, 암모니아)에 대한 뇌파반응을 분석하였다. 냄새자극 시험은 30~50대의 여성을 대상으로 수행하였다. 교실냄새와 대표악취물질의 자극에 대한 뇌파 지표들의 변화 경향은 측두엽에서 가장 두드러지게 나타났다. 이들 악취물질의 측두엽에서 반응은 바탕뇌파대비 상대알파파를 0.04~0.13 감소시켰고, 상대베타파 0.02~0.06, 상대감마파를 0.03~0.09 증가시켰다. 교실냄새들과 두 악취물질들은 이완상태를 나타내는 알파파를 감소시켰고, 각성과 긴장 및 스트레스를 나타내는 고베타파(18~30Hz)와 불안과 흥분상태를 나타내는 감마파(30~50Hz)를 활성화시켰다. 냄새물질들의 뇌 각성 및 자극정도는 머리냄새 > 부트르산 > 발냄새, 쉰냄새 > 암모니아> 땀냄새 순이었다. 이러한 결과는 교실냄새가 과도한 각성이나 긴장을 유발하므로 수업 집중력이나 학습능력을 저해할 수 있음을 의미한다.
In this study, the influence of classroom smells (foot odor, hair smell, sour smell, and sweat smell) of male high school and sweat smell and the offensive odor substance (ammonia and butyric acid) on the electroencephalography (EEG) activities of 20 female volunteers, ranging in age from 30 to 50 w...
In this study, the influence of classroom smells (foot odor, hair smell, sour smell, and sweat smell) of male high school and sweat smell and the offensive odor substance (ammonia and butyric acid) on the electroencephalography (EEG) activities of 20 female volunteers, ranging in age from 30 to 50 were studied. The representative response of brainwave index by these smells stimuli was most pronounced on temporal lobes among the brain lobes. By comparison with background EEG activities on temporal lobes, the smells reduced the relative alpha band power (0.04~0.13) and increased the relative beta band power (0.02~0.06) and the relative gamma band power (0.03~0.09). The alpha wave was deactivated, high beta (18~30Hz) and gamma (30~50Hz) waves were remarkably activated. The order of EEG fluctuation caused by the smell stimulus is as follows; hair smell > butyric acid > foot odor, sour smell > ammonia > sweat smell. It means that the classroom smells cause an excessive brain arousal and straining and may be reducing one's attention and learning ability.
In this study, the influence of classroom smells (foot odor, hair smell, sour smell, and sweat smell) of male high school and sweat smell and the offensive odor substance (ammonia and butyric acid) on the electroencephalography (EEG) activities of 20 female volunteers, ranging in age from 30 to 50 were studied. The representative response of brainwave index by these smells stimuli was most pronounced on temporal lobes among the brain lobes. By comparison with background EEG activities on temporal lobes, the smells reduced the relative alpha band power (0.04~0.13) and increased the relative beta band power (0.02~0.06) and the relative gamma band power (0.03~0.09). The alpha wave was deactivated, high beta (18~30Hz) and gamma (30~50Hz) waves were remarkably activated. The order of EEG fluctuation caused by the smell stimulus is as follows; hair smell > butyric acid > foot odor, sour smell > ammonia > sweat smell. It means that the classroom smells cause an excessive brain arousal and straining and may be reducing one's attention and learning ability.
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문제 정의
본 연구에서는 남자고등학교 교실냄새가 뇌에 미치는 영향을 생리신호인 뇌파를 통해 정량적으로 규명하고자 땀냄새, 발냄새, 머리냄새, 및 쉰냄새 등 4종류의 교실냄새와 1% 부티르산과 2.5% 암모니아를 대표 악취물질로 선정하여 이들 냄새들이 EEG에 미치는 영향을 연구하였다.
제안 방법
정상적인 바탕뇌파가 측정된 피험자를 대상으로 냄새자극 시험을 수행하였다. 10초간 안정된 상태에서 눈을 감은 후 냄새물질을 묻힌 시향지(1 cm x 10 cm)나 교실냄새 유발원을 코로부터 3cm 정도 떨어진 곳에 위치한 후 3초간 냄새를 맡게 한 후 20초 동안 뇌파를 수집하였다. 냄새자극은 임의의 순서로 제시하였고, 냄새자극을 가한 후 최소 5분 이상 휴식을 취하게 하여 후각세포의 냄새순응 효과를 방지 하였다.
남자고등학교 교실냄새(발냄새, 땀냄새, 머리냄새, 쉰냄새)와 대조군으로 라벤더향을 준비하였다. 교실냄새를 모사하기 위하여 발냄새는 남자 고등학생이 6개월 이상 착용한 운동화, 땀냄새는 운동 한 후 땀에 젖은 티셔츠, 쉰냄새는 습한 상태에서 3일 동안 실온에서 보관한 걸레를 각각 사용하였으며 머리냄새는 3일 동안 감지 않은 남학생의 머리를 사용하였다. 머리 냄새를 제외한 교실냄새 유발원은 시험기간 동안 일정한 냄새를 유지하기 위하여 비닐봉지에 밀폐하여 보관하며 사용하였다.
기존 연구들에서는 세타파에서 베타파(4∼30Hz) 영역에서 뇌파분석을 수행하였으나, 본 연구에서는 4∼50Hz까지 감마파 영역까지 폭 넓게 분석하였다.
안면근육의 움직임에 따라 발생하는 안전도 영향을 많이 받는 주파수 대역인 델타파(0-4Hz)를 제거 후 나머지 측정 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)의 알고리즘을 이용하여 주파수 대역 별 상대 출현량(relative value) 구하고, Table 1과 같은 주파수 대역에서 각각의 뇌파 지표들을 분석하였다. 냄새자극에 의한 각종 뇌파지표들의 변화값은 냄새자극 시 뇌파 지표값과 바탕뇌파 뇌파지표 값의 차이로 구하였다.
10초간 안정된 상태에서 눈을 감은 후 냄새물질을 묻힌 시향지(1 cm x 10 cm)나 교실냄새 유발원을 코로부터 3cm 정도 떨어진 곳에 위치한 후 3초간 냄새를 맡게 한 후 20초 동안 뇌파를 수집하였다. 냄새자극은 임의의 순서로 제시하였고, 냄새자극을 가한 후 최소 5분 이상 휴식을 취하게 하여 후각세포의 냄새순응 효과를 방지 하였다.
눈 움직임에 의한 잡음혼입을 막기 위해 측정 시 피검자가 눈을 감도록 하였다. 냄새자극이 없는 바탕 뇌파는 눈을 감은 후 안장상태에서 1분 동안 뇌파 data를 수집하였다.
뇌파는 전산화 뇌파측정기 PolyG-I system(LAXTHA Inc., Korea)장비를 이용하여 측정하였다.
뇌파측정은 조용한 환경에서 피시험자의 움직임을 통제한 상태에서 시행되었다. 눈 움직임에 의한 잡음혼입을 막기 위해 측정 시 피검자가 눈을 감도록 하였다. 냄새자극이 없는 바탕 뇌파는 눈을 감은 후 안장상태에서 1분 동안 뇌파 data를 수집하였다.
사용된 전극은 금으로 도포된 접시형태의 디스크전극이며, 피부와의 접촉저항을 최소화하기 위해 먼저 알코올 솜을 이용하여 머리표면의 이물질을 닦아낸 후 접시전극에 뇌파전용 전극 풀을 묻혀 부착하였다. 또한 부착된 접시전극위에 거즈를 덮어 머리표면에 잘 고정되도록 처치하였다. 뇌파측정은 조용한 환경에서 피시험자의 움직임을 통제한 상태에서 시행되었다.
5∼50Hz의 통과필터, 12-bit AD변환에 의해 컴퓨터로 저장되었다. 머리표면 총 8부위에서 모노폴라 방식으로 뇌파를 측정하였으며, 10/20-국제전극배치법에 의해 총 8 부위(Fp1, Fp2, F3, F4, T3, T4, O1, O2)에 측정전극을 부착하였다. 기준전극은 A1, A2 접지전극을 부착하였다.
바탕뇌파는 무자극 상태에서 눈을 감은 피험자의 뇌파를 60초 동안 측정하였으며, 각 피험자마다 3회 반복 측정하였다. 수집된 뇌파파형을 관찰하여 피험자의 눈 움직임이나 안면근육 수축 등에 의한 잡파 유입여부를 확인하였다.
바탕뇌파와 비교하여 머리냄새와 부티르산은 SEF90을 각각 4.5±6.2Hz, 3.7±6.7Hz 증가시켰고, 발냄새, 쉰내, 땀냄새, 및 암모니아는 각각 2.8±6.1, 2.5±6.4, 1.9±5.9, 1.4±6.0Hz 증가시켰다.
바탕뇌파는 무자극 상태에서 눈을 감은 피험자의 뇌파를 60초 동안 측정하였으며, 각 피험자마다 3회 반복 측정하였다. 수집된 뇌파파형을 관찰하여 피험자의 눈 움직임이나 안면근육 수축 등에 의한 잡파 유입여부를 확인하였다. 잡파가 유입된 경우에는 바탕뇌파를 재측정 하였고, 몸의 움직임이 없음에도 불구하고 뇌파파형이 안정되지 않고 요동치는 피험자는 배제시켰다.
잡파가 유입된 경우에는 바탕뇌파를 재측정 하였고, 몸의 움직임이 없음에도 불구하고 뇌파파형이 안정되지 않고 요동치는 피험자는 배제시켰다. 수집된 바탕뇌파는 Table 1의 각종 뇌파 지표 분석을 통해 정상적인 바탕뇌파(후두엽 부분에서 알파파가 많고, 양 측두엽 부위에서는 상대적으로 다른 부위보다 적으면서 좌/우 대칭이 유지된 패턴) 여부를 판단하였다(락싸, 2013).
안면근육의 움직임에 따라 발생하는 안전도 영향을 많이 받는 주파수 대역인 델타파(0-4Hz)를 제거 후 나머지 측정 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform)의 알고리즘을 이용하여 주파수 대역 별 상대 출현량(relative value) 구하고, Table 1과 같은 주파수 대역에서 각각의 뇌파 지표들을 분석하였다. 냄새자극에 의한 각종 뇌파지표들의 변화값은 냄새자극 시 뇌파 지표값과 바탕뇌파 뇌파지표 값의 차이로 구하였다.
정상적인 바탕뇌파가 측정된 피험자를 대상으로 냄새자극 시험을 수행하였다. 10초간 안정된 상태에서 눈을 감은 후 냄새물질을 묻힌 시향지(1 cm x 10 cm)나 교실냄새 유발원을 코로부터 3cm 정도 떨어진 곳에 위치한 후 3초간 냄새를 맡게 한 후 20초 동안 뇌파를 수집하였다.
후각 챔버는 흡기와 배기시설을 갖추어 내부에서 자극물 냄새 외에 다른 냄새가 축적되지 않도록 하였고, 온도(22∼24 ℃), 습도(40∼50%), 조도(150∼200 Lx)를 유지하였다. 피험자가 후각챔버 환경에 익숙하도록 일정한 시간 경과 후에 바탕뇌파를 측정하였다.
후각 챔버는 흡기와 배기시설을 갖추어 내부에서 자극물 냄새 외에 다른 냄새가 축적되지 않도록 하였고, 온도(22∼24 ℃), 습도(40∼50%), 조도(150∼200 Lx)를 유지하였다.
대상 데이터
남자고등학교 교실냄새(발냄새, 땀냄새, 머리냄새, 쉰냄새)와 대조군으로 라벤더향을 준비하였다. 교실냄새를 모사하기 위하여 발냄새는 남자 고등학생이 6개월 이상 착용한 운동화, 땀냄새는 운동 한 후 땀에 젖은 티셔츠, 쉰냄새는 습한 상태에서 3일 동안 실온에서 보관한 걸레를 각각 사용하였으며 머리냄새는 3일 동안 감지 않은 남학생의 머리를 사용하였다.
머리 냄새를 제외한 교실냄새 유발원은 시험기간 동안 일정한 냄새를 유지하기 위하여 비닐봉지에 밀폐하여 보관하며 사용하였다. 또한 1% 부티르산과 2.5% 암모니아를 대표 악취물질로 사용하였다.
사용된 전극은 금으로 도포된 접시형태의 디스크전극이며, 피부와의 접촉저항을 최소화하기 위해 먼저 알코올 솜을 이용하여 머리표면의 이물질을 닦아낸 후 접시전극에 뇌파전용 전극 풀을 묻혀 부착하였다. 또한 부착된 접시전극위에 거즈를 덮어 머리표면에 잘 고정되도록 처치하였다.
실험은 소음, 빛 등과 같은 외부 환경조건의 영향을 배제하기 위해 방음시설을 갖춘 2 m x 2 m x 2.5 m 크기의 후각 챔버에서 수행하였다.
피시험자는 냄새에 민감한 30∼50대 여성(42.8±5세)을 대상으로 정하였다.
5% 가 여자선생님이므로 피험자를 여자로 선정했다(교육과학기술부, 2012). 피시험자는 신경학 또는 정신질환 병력이나 후각 장애 또는 인지 장애가 없는 자를 대상으로 악취공정시험방법에서 제시하는 판정인 선정시험을 통과하고 실험참여에 사전 동의한 후보자들 중 바탕뇌파가 정상적인 20명을 선정하였다(국립환경과학원, 2005). 피시험자들은 실험 당일 향수와 화장품의 사용을 금지시켰고, 후각에 영향을 줄 수 있는 음주 및 카페인 섭취도 금지시켰다.
데이터처리
냄새자극에 따라 수집된 뇌파 데이터는 TeleScanTM(Ver.2.99) 프로그램을 이용하여 분석하였다.
통계프로그램은 SAS 9.2를 사용하여 repeated measure one-way ANOVA분석을 실시하였고, 95% 유의수준에서 Dunnett test 통해 사후검증을 하였다.
성능/효과
12이었다. 6종류의 냄새 모두 바탕뇌파 대비 RAHB를 감소시켰고, 이러한 현상은 머리냄새와 부티르산에서 두드러지게 나타났다. RSMT는 머리냄새, 부티르산, 발 냄새에 의해 다소 증가되었고, 나머지 냄새들은 감소시켰다.
6종류의 냄새자극 모두 알파파를 현저하게 감소시켰으며(△RA =-0.04∼-0.13), 냄새종류에 따라 세타파를 다소 증가시키거나 감소시키는 경향을 보였다.
Fig. 1의 뇌 활성지도(brain activation map)에서 알 수 있는 바와 같이 악취성 냄새자극에 의해 뇌의 전 부위에서 안정과 편안함을 나타내는 알파파가 현저하게 감소되었고, 베타파와 감마파는 증가되었다. 그리고 냄새자극에 의한 뇌의 반응은 좌·우뇌의 측두엽 부위에서 변화가 두드러지게 나타났는데(Fig.
09). 가장 많은 뇌파변화를 유발한 냄새자극은 머리냄새였고, 머리냄새에 대한 반응중 알파파(RA)를 감소시켰고, 감마파(RG)와 베타파(RB)를 증가시켰다. 머리냄새, 부티르산, 쉰냄새, 발냄새, 암모니아, 땀냄새의 순으로 알파파를 감소시켰으며 알파파의 감소가 베타파와 감마파의 증가로 나타났다.
뇌의 각성정도를 나타내는 지표들(RB, RG, SEF50, SEF90 등)을 기준으로 냄새물질들의 뇌 각성 및 자극정도는 머리냄새 > 부티르산 > 발냄새, 쉰냄새 > 암모니아> 땀냄새 순이었다. 결론적으로 교실냄새는 알파파를 감소시키고, 베타파와 감마파를 증가시켜 주의 집중력 및 학습 능력을 저해시키고, 뇌의 각성, 긴장 및 스트레스 등을 유발시키는 냄새의 특징을 보였다.
교실냄새가 과도한 각성이나 긴장을 유발한다는 것은 신체적·정신적 건강뿐만 아니라 학습 능력을 저해할 수 있다. 따라서 적절한 환기를 통하여 냄새요인을 제거하고 교실의 실내공기의 질을 유지하는 것이 뇌파지표를 통하여 증명 할 수 있었다.
또한, 냄새자극은 느린 알파파(8∼11Hz) 영역부터 감마파 영역(30∼50Hz)까지 뇌파의 주파수가 낮을수록 소멸되고 주파수가 높을수록 활성화되었다.
가장 많은 뇌파변화를 유발한 냄새자극은 머리냄새였고, 머리냄새에 대한 반응중 알파파(RA)를 감소시켰고, 감마파(RG)와 베타파(RB)를 증가시켰다. 머리냄새, 부티르산, 쉰냄새, 발냄새, 암모니아, 땀냄새의 순으로 알파파를 감소시켰으며 알파파의 감소가 베타파와 감마파의 증가로 나타났다. 통계적으로 RT의 경우 유의하지 않았고, RA, RB, 및 RG는 유의미한 차이가 있었다[RT, F(6, 113)=1.
교실냄새 중에서 뇌를 각성시키는 정도는 머리냄새 > 발냄새, 쉰냄새 > 땀냄새 순이었다. 머리냄새는 대조 악취 물질로 사용한 부티르산 보다 뇌를 더 각성 시켰으며, 발냄새와 쉰내는 부티르산과 암모니아의 중간정도의 각성 효과를 보였으며, 땀냄새는 암모니아보다 각성효과가 덜하였다. 이러한 결과들로부터 사람의 교실냄새가 뇌에 미치는 영향을 대표 악취물질과 비교해보면 머리냄새는 부티르산 보다 더 자극적인 냄새이고, 발냄새와 쉰냄새는 부티르산과 암모니아의 중간정도의 자극적인 냄새임을 알 수 있다.
역도 선수들이 경기에 들어가기 전에 각성을 위해 강한 암모니아 냄새를 맡게 하는데, 암모니아와 같은 악취물질은 각성효과가 탁월하다는 것을 RB, RG, SEF50, SEF90 등의 지표들로부터 확인 할 수 있었다. 암모니아 자극에 의해 이들 지표들이 모두 증가되었으며, 암모니아보다도 부티르산의 뇌의 각성효과가 더 컸다. 부티르산의 알파파 소거, 베타파와 감마파의 활성정도는 암모니아의 약 2배에 이른다(Fig.
역도 선수들이 경기에 들어가기 전에 각성을 위해 강한 암모니아 냄새를 맡게 하는데, 암모니아와 같은 악취물질은 각성효과가 탁월하다는 것을 RB, RG, SEF50, SEF90 등의 지표들로부터 확인 할 수 있었다. 암모니아 자극에 의해 이들 지표들이 모두 증가되었으며, 암모니아보다도 부티르산의 뇌의 각성효과가 더 컸다.
전체적으로 각 주파수 대역별 뇌파의 변화는 교실냄새의 악취자극이 세타파에 미치는 영향은 미미하였지만, slow 알파파(8∼11Hz) 영역에서부터 감마파 영역(30∼50Hz)까지의 속파 영역에서는 주파수가 낮을수록 소멸되었고, 주파수가 높을수록 활성화되는 특징이 관찰되었다. 유쾌한 감성이나 안정된 정서에서 많이 나타나는 알파파의 변화는 교실냄새에 의해 slow alpha가 감소되었고(Fig. 3), 편안함과 안정정도를 나타내는 RAHB도 감소되었다(Fig. 6).
머리냄새는 대조 악취 물질로 사용한 부티르산 보다 뇌를 더 각성 시켰으며, 발냄새와 쉰내는 부티르산과 암모니아의 중간정도의 각성 효과를 보였으며, 땀냄새는 암모니아보다 각성효과가 덜하였다. 이러한 결과들로부터 사람의 교실냄새가 뇌에 미치는 영향을 대표 악취물질과 비교해보면 머리냄새는 부티르산 보다 더 자극적인 냄새이고, 발냄새와 쉰냄새는 부티르산과 암모니아의 중간정도의 자극적인 냄새임을 알 수 있다. 실제로 부티르산은 머리냄새와 발냄새를 구성하고 있는 주성분 중 하나이다(Caroprese et al.
전체적으로 각 주파수 대역별 뇌파의 변화는 교실냄새의 악취자극이 세타파에 미치는 영향은 미미하였지만, slow 알파파(8∼11Hz) 영역에서부터 감마파 영역(30∼50Hz)까지의 속파 영역에서는 주파수가 낮을수록 소멸되었고, 주파수가 높을수록 활성화되는 특징이 관찰되었다.
통계적으로 바탕뇌파대비 RSA는 유의미하게 감소되었지만, RFA의 경우 유의미한 차이는 없었다[RSA,F(6, 113)=3.46, p<0.0035; RFA, F(6, 113)=1.49, p<0.1896].
후속연구
교실냄새는 단일 악취물질이 아니라 복합악취물질로 냄새시료의 상태에 따라 악취의 성분, 농도 및 강도가 다르다. 이에 따라 뇌파에 미치는 영향이 달라질 수 있기 때문에 본 연구결과의 일반화에는 한계점이 있다. 다만, 본 연구는 교실냄새가 미치는 영향을 다양한 뇌파지표들로 분석할 수 있음을 보였으며 많은 영향을 받는 주요 뇌파지표들을 밝힌데 의의가 있다고 할 수 있다.
다만, 본 연구는 교실냄새가 미치는 영향을 다양한 뇌파지표들로 분석할 수 있음을 보였으며 많은 영향을 받는 주요 뇌파지표들을 밝힌데 의의가 있다고 할 수 있다. 향후 교실냄새 시료의 악취성분과 악취강도에 대한 정량적인 분석과 이들이 뇌파지표의 변화에 미치는 영향에 대하여 보다 체계적인 연구가 필요하다고 본다. 특히 각 교실냄새별로 학습능력을 저해하지 않는 한계농도 규명 등을 통해 쾌적한 교실 환경을 유지하기 위한 조건을 제시하는 등의 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
남자고등학교 교실에 발생하는 냄새에는 어떠한 것들이 있는가?
신진대사가 왕성하고 활동이 많은 남학생이 집단으로 모여 있는 남자고등학교 교실은 땀냄새, 발냄새, 머리냄새, 입냄새, 쉰냄새 등의 불쾌한 교실냄새가 자주 발생한다. 이러한 교실냄새는 학생과 교사들이 불쾌감을 줄 뿐만 아니라 수업분위기를 흐릴 수 있다.
땀냄새와 발냄새를 유발하는 주요 원인물질은 무엇인가?
이러한 교실냄새는 학생과 교사들이 불쾌감을 줄 뿐만 아니라 수업분위기를 흐릴 수 있다. 땀냄새와 발냄새를 유발하는 주요 원인물질은 부티르산(butyric acid) 및 발레르산(valeric acid) 등이며(Caroprese et al., 2009; Natsch et al.
냄새를 평가하기 위해 최근 활용하고 있는 방법은?
냄새를 평가하는 방법은 크게 사람이 직접 냄새를 맡아 평가하는 관능법과 냄새를 유발하는 화합물질 성분을 가스크로마토그래피로 분석하는 기기분석법으로 구분하고 있다(Pander & Kim, 2011). 그런데 최근에는 뇌인지 과학의 발달로 생체신호 중 하나인 뇌전도(electroencephalography, EEG) 신호 분석을 냄새 평가에 활용하고 있다(Lorig, 2000). EEG는 뇌의 뉴런이 서로 정보를 주고받는 과정에서 발생되는 이온들의 신호이다.
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