[논문]음악적 자극과 산술적 두뇌활동과의 상관성에 대한 뇌파분석

장윤석; 윤홍주

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.2.481

문제 정의

본 논문에서는 만 20∼22세의 대학생을 대상으로 하여 음악적 자극의 종류에 따라 뇌파를 분석한 결과를 제시하였다.
본 논문에서는 음악에 대한 인간의 정서적 반응을 뇌파의 반응으로 정량화하여 그 특성을 관찰하기 위한 뇌파실험을 수행하였다. 또한 음악에 대한 인간의 정서적 반응이 청소년의 학습에는 어떤 영향을 미칠지를 관찰하기 위하여 인간의 집중력을 나타내는 뇌파 성분을 주로 분석하였다.
본 논문에서는 피험자들에게 청각자극으로 음악적 자극을 제시하는 동안 학습활동을 하도록 하는 과제를 동시에 제시하는 실험을 수행한다. 음악적 자극이 학습활동에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해서이다.
음악적 자극과 뇌파에 관한 연구에서 진정클래식, 자극클래식, 진정가요 및 자극가요 등으로 음악적 구조와 에너지 크기에 따라 4가지 유형으로 구분을 하기도 한다[10]. 본 논문의 실험에서는 피험자의 학습과의 관련성을 조사하기 위하여 음악적 자극의 특성을 극대화하기 위하여 진정성향과 자극성향의 2가지 유형의 음악으로 구분하여 청각자극으로 제시하였다. 진정성향의 음악으로는 클래식 음악으로 J.
본 논문에서는 피험자들에게 청각자극으로 음악적 자극을 제시하는 동안 학습활동을 하도록 하는 과제를 동시에 제시하는 실험을 수행한다. 음악적 자극이 학습활동에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해서이다. 따라서 다양하게 제시될 수 있는 음악적 자극의 유형을 분명히 구분하기 위하여 우선 구조 및 에너지적 특성이 완전히 다른 2가지 유형의 음악적 자극을 선정하였다.

제안 방법

다음에 진정성향이나 자극성향의 음악 중 한 가지 유형의 첫 번째 음악적 자극을 제시하는 시간을 3분간 가진다. 다음에는 2분간 휴식을 가진 후, 앞에서 제시한 것과 동일한 유형의 음악적 자극에 노출된 상황에서 두뇌의 집중을 요하는 수식 계산 과제를 5분간 해결하도록 하였다. 이와 동일한 순서대로 앞에서 제시한 음악적 유형과 다른 유형의 음악을 두 번째 음악적 자극으로 제시한 가운데 또 한 번의 뇌파 계측 실험 과정을 수행하게 하였다.
음악적 자극이 학습활동에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해서이다. 따라서 다양하게 제시될 수 있는 음악적 자극의 유형을 분명히 구분하기 위하여 우선 구조 및 에너지적 특성이 완전히 다른 2가지 유형의 음악적 자극을 선정하였다. 이와 같은 설정은 Gaston이 분류한 음악유형 중[9] 인간을 자극시키는 유형의 자극성향 음악과 인간을 진정시키는 유형의 진정성향 음악으로 구분한 것이다.
본 논문에서는 음악에 대한 인간의 정서적 반응을 뇌파의 반응으로 정량화하여 그 특성을 관찰하기 위한 뇌파실험을 수행하였다. 또한 음악에 대한 인간의 정서적 반응이 청소년의 학습에는 어떤 영향을 미칠지를 관찰하기 위하여 인간의 집중력을 나타내는 뇌파 성분을 주로 분석하였다. 이를 위하여 음악의 구조와 에너지에 있어서 인간의 흥분과 진정에 가장 기여도가 높은 2가지 반대적 성향의 음악을 청각자극으로 선택하였다.
본 논문의 피험자로는 청각자극 제시에 전혀 문제가 없고, 특정한 질병이 없는 만 20∼22세의 남녀 대학생 10명을 선정하였다. 또한 자극으로 제시하는 음악에 대한 인지도나 선호도에 대한 설문을 조사하여, 음악적 자극으로 제시하는 음악을 사전에 인지하고 있거나 클래식이나 록음악을 아주 선호하거나 혐오하지 않는 피험자인 사실을 확인하였다. 따라서 음악적 자극에 대한 사전지식이나 선호도에 대한 문제가 없는 피험자를 대상으로 뇌파 실험을 수행한 것이다.
먼저 피험자들을 편안한 상태로 만들기 위해서와 동시에 아무런 집중 대상이 없는 상황의 시간을 2분간 가지게 하였다. 다음에 진정성향이나 자극성향의 음악 중 한 가지 유형의 첫 번째 음악적 자극을 제시하는 시간을 3분간 가진다.
본 논문에서는 그림 1과 같은 순서에 따라 진행되는 과정에서 유발된 피험자의 뇌파를 파워 스펙트럼으로 분석하여 비교하는 것을 기본적인 분석방법으로 사용하였다. 파워 스펙트럼으로 분석하는 뇌파 성분으로는 12∼15Hz의 주파수 대역을 가지는 SMR(Sensori Motor Rhythm)파와 15∼18Hz의 주파수 대역을 가지는 중간 베타(Mid-beta, MB)파를 설정하였다.
음악자극의 청취는 외부의 소음이 차단된 공간에서 헤드폰을 통해 피험자 각각에게 제시되는 방법으로 수행되었으며, 각각의 음악적 자극은 flac 파일로서 무손실 음원을 사용하였다.
또한 음악에 대한 인간의 정서적 반응이 청소년의 학습에는 어떤 영향을 미칠지를 관찰하기 위하여 인간의 집중력을 나타내는 뇌파 성분을 주로 분석하였다. 이를 위하여 음악의 구조와 에너지에 있어서 인간의 흥분과 진정에 가장 기여도가 높은 2가지 반대적 성향의 음악을 청각자극으로 선택하였다. 이와 같은 음악적 자극을 청각자극으로 제시하였을 때, 피험자가 산술적 과제를 수행하는 동안의 반응 특성을 뇌파로 관측하여 분석한 후, 음악적 자극과 산술적 두뇌활동과의 상관성에 대한 결과를 제시한다.
본 논문에서는 먼저 30초간의 간격을 두고 SMR파와 중간-베타파의 파워 스펙트럼이 시간에 따라 변화하는 과정을 관찰한 결과, 두 종류의 뇌파성분 모두 음악적 자극만이 제시되는 경우보다는 과제를 해결하려고 집중하는 경우의 파워가 점진적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 보다 명확하게 하기 위하여 다음에는 음악적 자극만을 제시한 경우와 자극 제시와 동시에 과제를 해결해야 하는 경우의 뇌파를 분석 및 비교하였다. 그 결과, 두 뇌파성분의 파워 스펙트럼에서는 음악적 자극만을 제시한 경우보다 동시에 과제를 해결해야 하는 경우의 파워가 보다 높게 나타났다.
이를 위하여 음악의 구조와 에너지에 있어서 인간의 흥분과 진정에 가장 기여도가 높은 2가지 반대적 성향의 음악을 청각자극으로 선택하였다. 이와 같은 음악적 자극을 청각자극으로 제시하였을 때, 피험자가 산술적 과제를 수행하는 동안의 반응 특성을 뇌파로 관측하여 분석한 후, 음악적 자극과 산술적 두뇌활동과의 상관성에 대한 결과를 제시한다.
다음에는 2분간 휴식을 가진 후, 앞에서 제시한 것과 동일한 유형의 음악적 자극에 노출된 상황에서 두뇌의 집중을 요하는 수식 계산 과제를 5분간 해결하도록 하였다. 이와 동일한 순서대로 앞에서 제시한 음악적 유형과 다른 유형의 음악을 두 번째 음악적 자극으로 제시한 가운데 또 한 번의 뇌파 계측 실험 과정을 수행하게 하였다. 진정성 향과 자극성향의 2가지 음악적 자극은 제시하는 순서를 정하지 않고, 피험자에 따라 순서를 달리함으로써 제시 순서 방법이 동일하도록 조정하였다.
본 논문에서는 만 20∼22세의 대학생을 대상으로 하여 음악적 자극의 종류에 따라 뇌파를 분석한 결과를 제시하였다. 인간의 집중력이 음악적 자극에 반응하는 상관성을 관찰하기 위해서는 음악적 자극 제시와 동시에 집중하여 해결하여야 할 과제를 제시하여 음악적 자극만이 제시되는 경우와 비교한 결과를 제시하고, 또한 진정성향과 자극성향의 음악적 자극이 인간의 집중력에 어떤 영향을 미치는 지를 추정할 수 있는 뇌파분석 결과를 제시하였다.
이와 동일한 순서대로 앞에서 제시한 음악적 유형과 다른 유형의 음악을 두 번째 음악적 자극으로 제시한 가운데 또 한 번의 뇌파 계측 실험 과정을 수행하게 하였다. 진정성 향과 자극성향의 2가지 음악적 자극은 제시하는 순서를 정하지 않고, 피험자에 따라 순서를 달리함으로써 제시 순서 방법이 동일하도록 조정하였다.
진정성향의 음악적 자극과 자극성향의 음악적 자극을 제시하였을 경우, 피험자들의 집중력을 비교하기 위해서 피험자들의 과제 해결 답안에서 오답이 발생한 건수를 조사해 보았다. 그 결과, 총 10명의 피험자 중에 6명의 피험자는 자극성향의 음악적 자극에서 더 많은 오답을 제출하였고, 두 종류의 음악적 자극에서동일한 건수의 오답을 제출한 피험자 수는 3명이었고, 진정성향의 음악적 자극에서 오답이 더 많았던 피험자 수는 1명이었다.
음악적 자극이 제시되는 환경에서 피험자들이 수행하는 과제는 세 자리 숫자를 서로 곱하는 곱셈계산을 수행하는 것으로 설정하였다. 피험자들이 좀 더 집중하는 상황을 만들기 위하여 각각의 숫자는 5이상의 숫자로 설정한 계산식 과제를 도출하였고, 피험자들이 시간에 쫓기는 부담을 덜기 위하여 기본적으로 5분이라는 설정시간을 미리 알려주지 않은 상황에서 실험을 수행하게 하였다.
피험자로부터 지속적으로 뇌파를 계측하기 위해서는 그림 1과 같은 순서에 따른 과정을 1세트로 구성하여 뇌파 계측 실험을 수행하였다.

대상 데이터

본 논문의 피험자로는 청각자극 제시에 전혀 문제가 없고, 특정한 질병이 없는 만 20∼22세의 남녀 대학생 10명을 선정하였다.
피험자의 뇌파를 계측하기 위한 전극 부착법으로는 국제적으로 공인되어 있는 10-20 국제 전극배치법을 사용하였다. 본 뇌파 실험에서는 그림 2와 같이 F_p1, F_p2, F₃, F_z, F₄, C₃, C_z 및 C₄의 총 8개의 전극을 부착하여 8개의 채널로 피험자의 뇌파를 측정하였다.
파워 스펙트럼으로 분석하는 뇌파 성분으로는 12∼15Hz의 주파수 대역을 가지는 SMR(Sensori Motor Rhythm)파와 15∼18Hz의 주파수 대역을 가지는 중간 베타(Mid-beta, MB)파를 설정하였다.

이론/모형

본 논문의 실험에서는 피험자의 학습과의 관련성을 조사하기 위하여 음악적 자극의 특성을 극대화하기 위하여 진정성향과 자극성향의 2가지 유형의 음악으로 구분하여 청각자극으로 제시하였다. 진정성향의 음악으로는 클래식 음악으로 J. S. Bach의 골드베르크 변주곡 BWV 988을 사용하였고, 자극 성향의 음악으로는 헤비메탈 밴드로 알려진 AC/DC의 하드록 음악을 사용하였다.
피험자들의 뇌파를 계측하는 장비는 (주)락싸의 WEEG-32를 사용하였고, 기본적인 뇌파 계측 소프트웨어로는 텔리스캔(Telescan)을 활용하였다. 피험자의 뇌파를 계측하기 위한 전극 부착법으로는 국제적으로 공인되어 있는 10-20 국제 전극배치법을 사용하였다.
피험자들의 뇌파를 계측하는 장비는 (주)락싸의 WEEG-32를 사용하였고, 기본적인 뇌파 계측 소프트웨어로는 텔리스캔(Telescan)을 활용하였다. 피험자의 뇌파를 계측하기 위한 전극 부착법으로는 국제적으로 공인되어 있는 10-20 국제 전극배치법을 사용하였다. 본 뇌파 실험에서는 그림 2와 같이 F_p1, F_p2, F₃, F_z, F₄, C₃, C_z 및 C₄의 총 8개의 전극을 부착하여 8개의 채널로 피험자의 뇌파를 측정하였다.

성능/효과

이와 같은 결과를 보다 명확하게 하기 위하여 다음에는 음악적 자극만을 제시한 경우와 자극 제시와 동시에 과제를 해결해야 하는 경우의 뇌파를 분석 및 비교하였다. 그 결과, 두 뇌파성분의 파워 스펙트럼에서는 음악적 자극만을 제시한 경우보다 동시에 과제를 해결해야 하는 경우의 파워가 보다 높게 나타났다. 이 결과로부터 음악적 자극이 제시되는 경우에도 인간은 다른 형태의 업무에 더욱 집중력을 발휘하는 것으로 추정된다.
진정성향의 음악적 자극과 자극성향의 음악적 자극을 제시하였을 경우, 피험자들의 집중력을 비교하기 위해서 피험자들의 과제 해결 답안에서 오답이 발생한 건수를 조사해 보았다. 그 결과, 총 10명의 피험자 중에 6명의 피험자는 자극성향의 음악적 자극에서 더 많은 오답을 제출하였고, 두 종류의 음악적 자극에서동일한 건수의 오답을 제출한 피험자 수는 3명이었고, 진정성향의 음악적 자극에서 오답이 더 많았던 피험자 수는 1명이었다. 아울러 음악적 자극의 종류에 따른 피험자들의 총 오답 건수는 진정성향의 음악적 자극에서 15건, 자극성향의 음악적 자극에서 24건으로 나타났다.
이 결과로부터 음악적 자극이 제시되는 경우에도 인간은 다른 형태의 업무에 더욱 집중력을 발휘하는 것으로 추정된다. 또한 과제에서의 오답 건수를 조사한 결과, 자극성향의 음악적 자극 환경에서의 오답 건수가 뚜렷이 많다는 결과를 확인할 수 있었다. 이것은 진정성향의 음악적 자극이 자극성향의 음악적 자극보다는 인간의 집중력에 방해되지 않을 확률이 분명히 높다는 사실이 반영된 결과라고 생각된다.
본 논문에서는 먼저 30초간의 간격을 두고 SMR파와 중간-베타파의 파워 스펙트럼이 시간에 따라 변화하는 과정을 관찰한 결과, 두 종류의 뇌파성분 모두 음악적 자극만이 제시되는 경우보다는 과제를 해결하려고 집중하는 경우의 파워가 점진적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 보다 명확하게 하기 위하여 다음에는 음악적 자극만을 제시한 경우와 자극 제시와 동시에 과제를 해결해야 하는 경우의 뇌파를 분석 및 비교하였다.
그 결과, 총 10명의 피험자 중에 6명의 피험자는 자극성향의 음악적 자극에서 더 많은 오답을 제출하였고, 두 종류의 음악적 자극에서동일한 건수의 오답을 제출한 피험자 수는 3명이었고, 진정성향의 음악적 자극에서 오답이 더 많았던 피험자 수는 1명이었다. 아울러 음악적 자극의 종류에 따른 피험자들의 총 오답 건수는 진정성향의 음악적 자극에서 15건, 자극성향의 음악적 자극에서 24건으로 나타났다. 이와 같은 결과는 진정성향보다는 자극성향의 음악적 자극에 인간의 집중력이 감소된다고 추정할 수 있는 결과이다.

후속연구

본 논문의 결과로부터 종래 학습연령의 청소년들이 음악적 환경에서 공부하는 것이 그들의 집중력에 미치는 영항에 대하여 부분적이나마 과학적인 실험결과로서 확인할 수 있을 것으로 생각된다. 인간의 감성이란 다양하게 작용하므로 모든 인간에게 동일한 현상이 일어난다고는 할 수 없지만, 막연한 생각에서 비롯된 추측으로 두기보다는 인간의 감성에 대하여 과학적으로 실험하여 도출한 정량적인 결과가 필요하다고 생각된다.

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