EEG를 이용한 검사법

EEG로 측정된 신호를 활용함에 있어서 다른 측정수단과 달리 특징적으로 발달한 분야로써 신호분석 분야가 있다. 이는 PET, f-MRI, NIRS 류와 같이 혈류량검출을 통한 활동뇌세포의 위치를 확인하고자 하는 목적에서 개발된 장치여서 측정량 자체의 의미가 명시적이어서 추가의 신호분석이 크게 요구되지 않는 반면에 EEG의 경우에는 활동뇌세포의 위치를 파악하고자하는 목적 외에도, 신호의 시간성분에 포함되어있는 정보를 파악하기 위하여 시계열 분석이 필수로 요구되며, 주요한 기술로 여겨지고 있다. 

뇌파를 검사하는 분석기술에 있어서 크게 검사방법론에 따라 분류하자면 배경뇌파검사, 주의과제 뇌파검사,  감각지각 뇌파검사, 인지구분과제 뇌파검사로 나눌 수 있다. 이후 글에서 이들 각각의 설명이 이뤄진다.

눈감은 안정상태 뇌파분석

어떤 외부자극도 주어지지 않는 상태에서 대뇌피질 신경세포의 자발적인 전기활동을 배경뇌파(Background Brain Wave, Background EEG, Background Brain Activity)라고 부르며, 안정 시 대뇌피질의 각 부위에서 배경뇌파가 정상적인 리듬형태로 출현하는지 진단하는 것을 배경뇌파검사(BEAM)라고 부른다.

배경뇌파 검사는 1970년대에 Harvard Medical School의 Childrens Hospital Medical Center의 MD인Frank H. Duffy에 의해 처음 도입 되었으며, 뇌파를 통해 대뇌피질의 기능이 정상적인지를 파악하는 기본단계로 뇌기능과 관련된 여러 질환들을 진단하는 데 유용한 것으로 알려져 있다.

배경뇌파의 측정은 약간 어두운 조명의 조용한 환경에서 시행한다. 약 5분동안 측정이 진행되는 동안 피검자는 눈감고 깨어있는 안정상태를 유지해야 한다. 특히 측정 중 졸거나 눈을 굴리거나 암산, 회상과 같은 복잡한 인지작용을 통제해야 한다. 이후 알파소멸수준을 파악하기위해 눈뜬 상태의안정상태도 측정한다.

어떠한 외부자극도 가해지지 않은 눈감은 안정상태에서 우세해지는 뇌의 고유리듬은 시상과 대뇌피질간의 네트웍에 의해 발생되며 뇌간의 콜린계 뉴런들에 의해 조정된다. 고유리듬은 눈감은 안정상태에서 누구나에게 나타나는 자발뇌파리듬(Background EEG, 배경뇌파)으로, 뇌의 시상이 주요 발생원이며 뇌파리듬의 페이스메이커 역할을 한다.

이러한 고유리듬은 다음과 같은 배경뇌파 파워스펙트럼분포의 5-13Hz 영역내에서 공통적으로 가장 높은 피크형태로 나타난다.

정상인의 경우 고유리듬의 주파수위치가 알파대역에 포함되므로 이를 ‘알파고유리듬’ 또는 ‘알파피크’라고 일컫기도 하나 인지기능 퇴화로 인해 고유리듬의 주파수는 쎄타대역까지도 내려갈 수 있으므로 그냥 ‘고유리듬’이라 일컫는것이 개념적인 혼돈을 피할 수 있다.

정상젊은이의 경우, 고유리듬피크는 높고 뾰족한 형상으로 10Hz근처 또는 그 이상에서 나타나나, 노화나 만성피로, 특히 치매와 같이 인지손상이 동반되는 여러질환들에서 인지기능 퇴화가 심화될수록 ‘고유리듬 피크의 전반적 형상은 서서히 옆으로 퍼지면서 높이가 낮아지고, 피크가 위치한주파수는 점차 낮은 쪽으로 내려가는 경향’ 을 나타낸다.

이러한 경향은 대뇌피질 전부위에 공통적으로 나타나나, 특히 시상(thalamus)과 대뇌피질간의 고유리듬 상호작용이 상대적으로 두드러진 두정엽과 후두엽 부위에 더욱 두드러지는 것으로 알려져 있다.

다음은 정상젊은이부터 정상노인, 가벼운 치매, 점차 심화되는 치매까지 단계별 고유리듬 피크의 주파수 위치를 표시한 것이다. 정상젊은이는 10Hz정도이나 치매가 심화될수록 6.5Hz수준까지 점차 내려가게 된다.

즉, 청각자극이 제시된 후 0~0.008초 이내에는 다음과 같은 청간뇌간반응(ABR) 피크들이 나타난다. 이 유발뇌전위는 'Brainstem Auditory Evoked Potential(BAEP)' 라고도 불린다.

이에 비해 자극 제시 후 50~250ms(0.05~0.25초)에서 발생한 피크들은 청각지각과 관련된 신경전달 과정상의 문제점이나 단순주의상태를 평가 할 때 주로 활용된다. 다음 그림은 청각유발전위(Auditory-ERP) 그래프 중 지각관련 피크부분을 검은색으로 표시한 것으로 'Mid-latency Auditory Evoked Potential(MLAEP)' 이라고도 부른다.

또한 다음 그림과 같이 청각자극 제시 후 250~600ms(0.25~0.6초)에서 발생한 피크들은 외부자극의 물리적 영향이외에 선택적 주의, 기억탐색, 인지과정 등…과 같은 내인적인 요소에 해당하는 정신활동이 많이 반영되어 나타난 것이므로 정신과 및 인지 심리학분야에서 주로 활용된다. 일부 연구자들은 'Long-latency Auditory Evoked Potential(LLAEP)' 이라고도 부른다.

특히 이러한 피크 중 P300에 해당하는 피크가 1960년대 Sutton의 보고이후 뇌의 정보처리기전과 관련하여 전 세계적으로 가장 많이 연구되어왔다. P300이란 자극제시 후 약 300ms 근처에 나타나는 양(Positive, 상향)의 피크를 의미한다. 보통 자극제시 프로토콜에 따라 자극제시 시점 후 250ms~600ms 사이에서 피크가 출현하므로 너무 늦게 출현할 경우 late P300 또는 P600등..으로 따로 명명하기도 한다.

보고 된 선행연구들에 의하면 P300은 정보처리과정 중 자극에 대한 선택적 주의력, 자극인지, 기억탐색, 불확실감의 해소 등을 반영한다고 알려져 있다. 즉 주의력, 기억력, 인지능력 등이 높을수록 P300의 진폭이 커지는 경향이 있으며, P300 피크가 출현한 시점(Latency)이 빨라지게 된다.

사건관련전위(ERP)에서 자극제시 후 50~250ms에서 발생한 음, 양의 피크들은 지각과 관련된 신경전달과정이나 단순주의, 단순인지기능을 평가할 때 주로 활용되며 다음 그림과 같이 각 피크들의 진폭(Ampligude)과 잠재기(Latency) 지표들에 의해 흔히 정량적으로 분석된다.

보통 각 전극부위별 피크의 진폭과 출현시점들을 통해 드문 자극에 대한 정동반사기능과 더불어 자극에 대한 선택적 주의력 기능을 평가하게 된다. 보통 Active방식으로 진행된 Oddball Task의 경우 단순 반복자극(Simple Passive Repetitive Stimulus Task)에 의해 유발된 P300에 비해 조금 더 긴 잠재기를 나타내는 것이 특징이다.

또한 P300 피크 값의 각 전극부위별 분포는 임상적으로 뇌의 기질적 변화를 동반하는 각종 정신질환, 치매와 같은 뇌기능 퇴화와 같은 뇌기능장애시에도 이상소견을 보이는 것으로 흔히 알려져 있다.

고차인지기능 검사는 구분과제(Discrimination Task)에 의해 시행되며, 이는 화면에 제시된 패턴을 단기기억에 먼저 저장하고 이후 패턴이 제시되면 추론, 비교를 통해 이전 기억해둔 패턴과의 일치여부를 판단하는 고차인지과정으로 구성되어 있다.

Discrimination Task는 Classification Task라고도 일컬어지며, 한 개의 자극이 제시된 후, 잠시 후 다른 자극이 제시되면 피검자는 이전자극과 비교하여 두 자극이 같은 자극이면 한 반응키를 누르고 다른 자극이면 다른 반응키를 누르는 형태로 진행되는 방식이다. 보통 시각과 청각 modality로 구분되어 시행되는 데, 시각의 경우, 도형 또는 그림과 같은 패턴이 사용되며 청각의 경우 비슷한 순음이나 음향이 주로 사용된다. Discrimination Task는 Perception, Attention 이외에도 Recognition(memory match with LTM), Short term memory(STM), Reasoning, Comparison과 같은 Higher Cognitive Process들이 주요한 역할을 하는 Task이므로 보통 고차인지기능 평가 시 활용된다.

시각 modality의 경우 탈문화적인 레이븐 유형의 도형패턴이 사용되며, 다음과 같이 각 자극은 제시된 후 3초가 지나면 또 다른 자극이 나타난다. 이 자극이 직전 자극과 평면회전에 상관없이 같은 자극이면 오른쪽 화살표 키를 누르고, 다른 자극이면 왼쪽 화살표 키를 누르며 애매모호 할 경우 아무키도 누르지 않는 방식으로 과제가 진행된다. 제시되는 자극들은 도형의 패턴복잡도 수준에 따라 각각 3단계(L,M,H)의 난이도로 분류된다.

보통 지각, 주의, 기억, 추리, 판단 기능이 효율적으로 연합(Binding)하여 작동되는 고차 인지기능(Higher Order Congnitive Function)은 자극에 의해 유발된 감마반응에 의해 주로 평가된다.

감마파는 주관적인 인지를 잘 반영하는 것으로 알려져 있으며, 특히 전두엽 부위는 주의를 요구하는 드문 자극 감지(deviant detection)를 더 잘 반영하는 것으로 알려져 있다.

Cognition Task에서 인지와 관련된 감마대역의 파형을 자극제시시점을 기준으로 평균화(Ensemble Averaging)하여 얻은 사건관련신호를 '유발 감마반응(Induced Gamma Response)', 또는 '유발 감마활성(Induced Gamma-Band Acitivity)'이라 부른다.

감마반응 피크는 자극의 난이도에 따라 출현시점이 지연되는 특징이 있다. 난이도가 낮은 단순자극의 경우, 감마반응피크는 50~150ms에서 출현하지만, 인지구분과제(Cognitive Discrimination Task)와 같이 비교적 난이도가 요구되는 자극의 경우엔 반응자극이 제시된 후 150-400ms 범위에서 나타난다.

인지구분과제에 나타난 감마반응 피크는 지각, 기억, 주의, 추론, 비교판단과 같은 고차인지기능(higher cognitive function)들의 종합적인 성능을 반영하는 것으로 알려져 있어 'Cognitive Gamma Peak'라고 불린다.

특히 고차인지기능을 주로 담당하는 전두엽에서 성능과 비례하는 양상을 뚜렷하게 나타낸다. 따라서 이 피크의 출현시점(잠재기)과 진폭정보는 고차인지기능의 성능을 평가하는 핵심적인 역할을 한다.

유발감마반응은 오프셋제거와 파라미터 정량화를 위해 미분처리(D-ERS)되어 보여진다.

감마 잠재기(Gamma-peak latency)는 난이도가 높은 패턴일수록 더 길어지는 경향을 나타내는 특징을 보인다.

또한 피험자가 반응키를 누르는 반응시간(RT, Reaction Time)과도 양의 상관을 나타내는 것으로 알려져 있다.

한편 유발감마반응의 피크높이는visual feature binding, top-down attentional processing,object perception or object recognition, short-term memory, long-term memory, memory matches와 같은 고도의 인지기능이 우수할 때 높게 나타나는 것으로 알려져 있다.

뿐만 아니라, Wisconsin Card Sorting Test, Wechsler Memory Scale-Revised Test, Serial Digit Learning Test score등과 같은 neuropsychological test score들과도 통계적으로 유의미한 상관을 나타내는 것으로도 알려져 있다.

최근에는 고차인지기능 정량화 측면이외에도 치매, 정신분열, 뇌손상 등 다양한 뇌기능 질환들의 특징추출 목적으로도 감마반응피크가 연구되어지고 있다.