mir.pe (일반/어두운 화면)
최근 수정 시각 : 2024-12-14 20:47:15

뇌파

EEG에서 넘어옴

생체신호의 측정 형태 및 종류
<colbgcolor=#808080,#7f7f7f> 형태 생체전기 <colbgcolor=lightblue,#194351> 생체자기 <colbgcolor=red> 적외선 <colbgcolor=blue> 압력 <colbgcolor=lightgreen,#106f10> 소리
종류 뇌전도 심전도 안구전도 근전도 뇌자도 심자도 맥파 혈압 심장박동음 음성학


1. 개요2. 뇌파의 종류3. 발생 원리
3.1. 신경 세포 단계3.2. 뇌 단계
4. 어떻게 측정하는가
4.1. ERP(사건 관련 전위)4.2. ERD/ERS
5. 뇌파검사
5.1. 검사받을 때 유의할 점5.2. 장점5.3. 단점5.4. 종합
6. 뇌파 연구시 유의해야 할 점7. 뇌파 시제품8. 뇌파의 응용
8.1. 다면적 수면 측정8.2. 신경질환 진단8.3. 신경언어학8.4. 뇌-컴퓨터 인터페이스8.5. 뉴로피드백8.6. 전자적 뇌영상
9. 현실에서10. 서브컬처
10.1. 뇌파가 등장하는 작품
11. 참고문헌12. 관련 문서

1. 개요

파일:brainwave.jpg
Figure 1. Physiolab사의 P400을 이용해 눈을 뜨고 편안하게 앉은 자세에서 단일 채널만으로 측정한 뇌파. 알파파와 베타파를 비롯한 뇌의 여러 파장이 혼합된 형태를 보인다.

뇌파( 腦 波, Electroencephalogram; EEG)는 뇌(encephal-)내 신경 활동에 의해 발생하는 전기적(electro-) 신호를 대뇌피질 또는 두피에서 기록한 것 또는 그 기술(gram/graphy)을 뜻하며 뇌전도( 腦 電 圖)라고도 한다. 뇌 활동을 측정할 수 있는 그나마 가장 간단한 방법이기에 뇌전증, 치매 진단의 의료용에서부터 인터페이스 기술에 이르기까지 용도가 다양하다.

참고로 전기적 신호로 나타나는 신경 활동에 의해 두뇌에서 자기장 변화도 함께 일어나며, 이 자기장 변화를 기록하는 것은 뇌자도(腦磁圖, magnetoencephalography; MEG)라 한다.

2. 뇌파의 종류

기본적으로 다섯 종류[1]의 뇌파가 알려져 있다. 주파수[2]가 낮은 대역에서부터 시작한다.

참고로 뇌파는 보통 250Hz 미만에서만 의미있는 결과를 낼 수 있다. 하단에 단점 항목 참조.

3. 발생 원리

3.1. 신경 세포 단계

3.2. 뇌 단계

4. 어떻게 측정하는가

해부학적 구조로 보면 뇌에는 두개골 밑에 경질막, 거미막, 연질막과 같은 여러 막으로 되어 있는데, 각각 뇌막 사이사이에는 얇은 틈이 있다. 특히 거미막과 연질막 사이에 있는 거미막 밑 공간에는 뇌척수액이 지나가는 매우 중요한 공간이기 때문에 지주막하강[3]이라는 용어가 따로 정해져 있다. 이러한 틈 때문에 뇌의 한 부위에서 뇌파가 방출되어도 틈을 통해 사방으로 퍼져나가기 때문에 뇌 전역에서 뇌 신호가 관찰될 수 있는 것이다.

뇌파를 측정하는 방법에서 사용되는 수학적 요소가 있는데, 뇌에서 발생하는 전기적 신호를 둘 이상의 채널에서 동시에 지속적으로 측정하여, 각 채널에서 측정되는 신호 값들의 평균[4]을 분석해서 뇌파를 결정한다.

외과적 시술로 두개골을 직접 열고 전극을 삽입해서 측정하는 방법도 있으며, 이는 ECoG(Electro-Corticography)라 한다. 영상(혐오 주의). 의외로 오래 전부터 있던 방법이다. 1947년도 시술 영상.
다만 이는 침습적인 방법으로, 비침습적인 EEG에 비해 그리 많이 사용되지는 않는다.

4.1. ERP(사건 관련 전위)

특정 자극을 주고 그 자극에 대해 발생하는 뇌전위를 관찰할 때는, 해당 자극에 따라 뇌전위가 플러스로 움직이는지 마이너스로 움직이는지 전위차별로 구분해서 분석한다. 이를 ERP(event-related potential) 기법이라 하며 각종 신경과학 연구 분야에서 널리 쓰이고 있다.

4.2. ERD/ERS

Event_Related Desynchronization/Synchronization

손이나 발을 움직이거나, 움직이는 상상을 할 때 뇌파가 일시적으로 감소했다 다시 증가하는 패턴을 관찰하며, BCI 분야에서 자주 쓰이는 기법이다.

5. 뇌파검사

5.1. 검사받을 때 유의할 점

뇌파검사를 하게 된다면 대부분의 경우[5] 뇌파를 최대한 망가뜨린 채로 검사를 받는 것이 권장된다. 즉, 뇌파검사를 하기 전에는 숙면을 취하지 말아야 한다. 인체는 생각보다 부실하면서도 튼튼한지라, 막장 상태에 빠진 뇌도 어지간한 정신증이 아닌 이상은 뇌파가 정상으로 나오기 일쑤인 마당에, 숙면을 취한다면 정상 뇌파만 떠버려서 비싼 뇌파검사비만 날아가게 된다.[6]

이래서 신경증으로 진료를 받다가 진료를 해주던 정신과 의사가 뇌파검사를 권장하는 경우는 매우 드물다. 심리검사의 경우도 치료를 시작하다가 적당히 고려하지 어지간해선 빠르게 하는 일도 드물다.[7] ADHD 소견이 아닌 이상, 신경증으로 치료받던 사람이 뇌파검사나 MRI 등의 검사 결과에서 뭔가 이상이 발견된다면 정말로 심각한 경우이기 때문.

여하튼 뇌파검사가 만능일 것이란 생각은 접는 것이 좋다. 발작을 일으키고 있을때도 발작이 한창 진행중일 때 뇌파를 측정[8]하는 게 아닌 이상 어지간해선 정상 뇌파가 잡히기 일쑤다. 자폐증 환자에게서 발견되는 발작성 뇌파도 정말 잡기 힘들다...

한 가지 알아두어야 할 점은, 30세 미만의 청년들에게는 뇌파 검사가 권장되지 않는다. 소아 및 유아기, 특히 ADHD 환자가 아닌 이상 일반적으로 청소년기에서의 뇌파는 정상적인 알파파가 나오지 않고 그보다는 진동수가 느린 6~9Hz 정도의 알파파가 나온다. 알파파의 완성 발현 시기는 약 30세 전후로 3세 정도로 꼽는다. 즉, 27세 이후부터 알파파가 제대로 8~13Hz 범위 내에서 출현하고 그 전에는 미성숙한 뇌파가 나온다고 알려져있다. 특이한 뇌질환이 아닌 이상 뇌파 검사를 권장하지 않는 것도 위에 서술되었듯 정상 뇌파가 떠버리기 일쑤이므로 뇌파 검사는 여러번 생각을 해봐야 한다.

뇌파 연구실에서 실험하는 것을 보면 실험 대상이 스트레스를 받으면 신호가 불분명해진다.

더불어 뇌파검사시에는 시선을 계속 돌리거나, 눈을 깜빡이거나 얼굴을 찡그리거나 하는 등 잡음이 혼입될만한 행동을 가급적 삼가야 한다.[9]

5.2. 장점


특히, 신경검사에 많이 이용되는 또 다른 방법인 기능적 자기공명영상(fMRI)에 비해 부각되는 장점은 다음과 같다.
뇌자도에 비해서는 다음과 같은 장점이 존재한다:

5.3. 단점


fMRI 및 뇌자도에서는 별 문제 없이 가능하지만 뇌파에서는 할 수 없거나 효율이 매우 낮아지는 단점들은 다음과 같다.

5.4. 종합

EEG는 검사의 용이성, 검사 대상자를 가리지 않는다는 측면 및 폭넓은 응용성에서 유리하고, fMRI는 검사 대상 부위를 깊게 탐구하는 데 유리함을 알 수 있다.

이 때문에 현대 연구자들은 EEG와 fMRI를 묶어서 측정하는 시도를 하고 있다.

6. 뇌파 연구시 유의해야 할 점

7. 뇌파 시제품

여러 회사에서 뇌파 측정기기를 판매하고 있으므로, 직접 구매해서 뇌파를 스스로 측정해 볼 수 있다.

국내 기업 락싸 (Laxtha)에서는 뇌파에 대한 기초 지식을 소개하고 있으며, 기능이 다소 제한된 무료버전의 뇌파 분석 소프트웨어를 다운받아 사용할 수 있다. 다만 뇌파를 기록하려면 당사에서 판매하는 측정기기를 구매해야 하며, 개인 판매용 모델은 neuroNicle 이라는 88만원자리 헤드밴드형 2채널 블루투스 무선 뇌파측정기가 유일하다. 나머지 모델은 전부 기업이나 연구소, 즉 법인에서만 구매 문의를 받는데다 심지어 고가이다. 중고 장비를 구하려 해도 수백만원대다. 또한 neuroNicle은 개발자용 델으로서, 전문적인 신호 처리 및 분석을 위해서는 MATLAB등의 별도 프로그램을 이용해야 한다.

옴니씨앤에스라는 국내 기업의 옴니핏 브레인이라는 2채널 휴대용 블루투스 뉴로피드백 제품도 있다. 해당 제품은 가격이 30만원대로 매우 저렴하다는 장점이 있으며, 블루투스 이어폰으로도 사용 가능한 범용성을 자랑한다. 측정 결과는 '옴니핏 브레인 : The 집중' 및 '옴니핏 브레인 : The 쉼'이라는 개인용 무료 어플리케이션을 통해서 확인할 수 있으며, 본인의 뇌파 분석을 통한 집중력 향상 및 휴식에도 큰 효과를 볼 수 있다.

뉴로스카이라는 회사에서도 블루투스 기반 무선 뇌파 측정기를 판매한다. 다만 이쪽은 단일채널 위주의 제품으로 얻을 수 있는 뇌파 정보가 극히 제한된다. 대신 가격은 20만원 정도로 국내에서 구할 수 있는 제품 중에서는 가장 저렴하며, 다양한 모바일 뉴로피드백 애플리케이션과의 연동성이 매우 좋다는 장점이 있다.

파낙토스라는 국내 기업도 있으며, 뇌파에 전문 지식이 없는 일반인이라도 쉽게 사용할 수 있는 헤드밴드형 2채널 유선/무선 뇌파 측정기를 판매하고 있다. 특히 국내 기업 중 뉴로피드백 분야에 가장 집중하고 있어, 자사의 제품과 연계하여 windows 기반의 뇌파 시각화, 인지검사, 뉴로피드백 훈련 소프트웨어를 사용할 수 있으며, 전국 각지에 있는 센터에 방문하여 직접 검사를 받을 수도 있다. 뇌파에 대한 전문적인 교육 프로그램 및 자격증 취득 과정도 운영하고 있다. 게다가 전극이 탈부착식이라 손쉬운 교체가 가능하며, 개별 교체용 전극 역시 별도로 판매하고 있다.

아이메디신의 건식 전극 제품도 있으며, 여러 기관과의 협업을 통해 다양한 뇌파 데이터베이스 축적 등 연구쪽에 특화된 면을 보인다.

브레인유는 전신 마취를 필요로 하는 수술에서 뇌파를 기반으로 환자의 의식상태를 측정하고 정량화하여 모니터링 할 수 있는 시스템을 개발하여 현재 국내/외 대학병원 및 종합병원등에서 사용중이다. 또한 뇌파를 이용하여 수면 상태를 모니터링 할수 있는 멘탈케어 제품인 SLEEPade+는 수면 단계를 구분하고 기록하며, 수면 패턴 및 습관 등을 파악 할 수 있는 서비스를 제공한다. 현재 3월중 와디즈 를 통하여 첫 출시를 앞두고 있다.

그 외 OpenBCI, BrainVision 등 해외 제품도 다양하다.

의료공학과에 진학하면 생체신호측정 실습시간에 심전도, 근전도 및 안구전도와 더불어 뇌파(뇌전도라고도 한다)측정을 한 타임 정도 할 수 있다. 다만 일회용 전극에 단일 채널만 사용하며 측정 장비가 뇌파 전용이 아닌 다용도 생체신호 측정용이므로 (심전도, 근전도나 안구전도 측정할 때 똑같은 장비를 쓴다) 정확도가 높지 않아서 그냥 '뇌파라는 게 대충 이렇다'고만 알고 넘어가는 수준에서 그친다.

8. 뇌파의 응용

8.1. 다면적 수면 측정

해당 항목 참조.

8.2. 신경질환 진단

뇌전증, ADHD 등 신경계 질환을 찾아내는 데 뇌파가 응용된다. 후술하겠지만 뇌파 그 자체를 조작하거나 치료한다는 게 절대 아니다.

8.3. 신경언어학

언어와 관련한 뇌의 활동을 중점으로 연구하는 분야이다. 국내에서는 동국대학교 영어영문학부 영어통번역학전공 소속 박명관 교수가 이 분야의 실력자. 본인의 연구 실적을 집약한 <ERP-기반 신경통사론>이라는 책을 펴내는 등 활약하고 있다.

8.4. 뇌-컴퓨터 인터페이스

뇌파를 분석해서 '이 사람의 뇌는 어떤 조작을 하고자 한다'를 찾아내고 컴퓨터에서 그에 상응하는 동작을 하도록 하는 것. 이를 응용해 지체거동이 불편한 사람을 위한 의학용품 (뇌파를 이용한 컴퓨터 마우스 조작) 내지는 비싼 장난감을 만드는 연구가 진행되고 있다. 일례로 뇌파를 이용해서 고양이귀를 쫑긋이는 물건(네코미미)도 나왔다고 한다. 이마에서 단일 채널로 신호를 받는 제품으로 인터넷에 '네코미미'라 치면 구매 가능한 사이트가 쫙 뜬다.[19]

8.5. 뉴로피드백

측정된 뇌파를 바탕으로 뇌 활동을 교정하는 행위로서, '인위적인 자극을 지속적으로 가함으로서 생명체가 활동하는 방식에 변화를 주는' 바이오피드백의 한 종류이다. 목표로 삼은 파장이 나오면 보상을 주고, 배제하려는 파장이 나오면 처벌을 주는 방식을 쓴다. 예를 들면, 자동차가 움직이는 게임으로 뉴로피드백을 하게 되면 뇌파가 안정적이면 차가 잘 달리지만 뇌파가 흐트러지기 시작하면 멈추는 정도롤 넘어서 거꾸로 가는 식이다.

하는 거 자체는 참 별거 없지만 뉴로피드백을 위한 계획을 세우는 것에는 전문 지식이 필요해서 정말 불필요할 정도로 많은 고급 인력이 사용되며, 덕분에 장비값 및 인건비가 매우 높아 뉴로피드백 한번 받는 비용이 정말 무진장 비싸다.

최근에는 단순 검사의 영역을 넘어서 훈련이나 치료의 영역으로도 들어왔다. 다만 실효성에는 의문이 있다.

8.6. 전자적 뇌영상

뇌영상기법
영상 생체신호를 영상화
PET fMRI fNIRS 뇌파 뇌자도


뇌의 특정 부위에서 신호가 나타나는, 즉 활성되는 것을 뇌 지도로 만들 수 있다.

9. 현실에서

대중매체에는 빈번하게 등장하지만, 실제로 뇌파를 이용하는 장치의 제작은 쉽지 않다. 일단 뇌파 신호 자체가 대단히 미약해서 측정과 분석부터 매우 어렵다.

하지만 다른 문제점을 다 무시할 수 있는 엄청난 장점이 하나 있으니 별다른 대공사 없이도 뇌의 활동을 읽어볼 수 있다는 점이다. 뇌에 직접 계측기를 심기 위해서 수술을 할 필요도 없고 안전하며 비용도 저렴하기 때문에 상업화도 용이하다. 때문에 1990년도 후반 이후 엄청나게 붐이 일어난 기능적 자기공명영상(fMRI)이나, 앞에서 말한 뇌자도(MEG) 등의 뇌 영상 기술과 뇌파 측정을 동시에 시도하려는 노력이 이루어지고 있다.

실용화 할 수만 있다면 그야말로 꿈의 기술이 될 수 있으므로 전세계의 대학과 연구소들이 끊임없이 뇌파를 증폭하고 해석하는 기술의 발전을 위해 연구중이고 이미 상당한 결과물들이 나오고 있다. #1, #2[20]

10. 서브컬처

오덕/ SF 계열에서는 기계를 조종한다거나, 생각을 조종한다거나, 가상현실을 구현하는 등 다양한 용도로 이용된다. 뇌의 전기신호에 착안한 설정으로 이를 사이오닉이라고 칭한다. 설정에 뇌가 들어간다면 거진 곁다리로 따라들어간다고 봐도 될지도.

하지만 뇌파로 기계를 조종하는 것 까지는 기술 발달에 따라 가능할 수도 있으나, 뇌파로 가상현실을 구현하거나 정신을 조종한다는 설정은 뇌파의 개념을 모르기 때문에 발생하는 오류. 뇌파는 두뇌 활동의 원인이 아닌 결과물이므로, 뇌파로 가상현실을 구현하거나 정신을 조종한다는 이야기는 아이스크림이 많이 팔리면 더워진다는 수준의 전형적인 인과 전도의 오류이다.

10.1. 뇌파가 등장하는 작품


이외에도 거의 모든 게임 판타지, VRMMO[22]나 기타 최면 에로게 등등이 해당한다.

11. 참고문헌

12. 관련 문서

[1] 더 많은 파들이 존재하나 지금까지 발견한 종류는 5개. [2] 각 수치에는 오차범위가 좀 있다. [3] 蜘蛛膜下腔, 거미막 밑의 빈 공간 [4] 요르트 매개변수(Hjorth Parameters)를 이용한다. 라플라스 방정식과 매우 유사한 방법이다. [5] 특히 뇌전증 같은 경련성 질환 이력이 있거나 진료 당시에도 발작 증세를 보이는 경우 등 뇌파검사를 바로 해 봐야하는 상황이 아닌 이상. [6] 단, 일부 뇌전증은 숙면시에 증상이 발현되므로 오히려 숙면을 취해야 하는 경우가 있다. [7] 특히 우울장애의 경우는 뇌파검사와 심리검사가 거의 의미가 없다. [8] 심지어 한창 발작 중일 때 검사해봐도 뇌파가 정상으로 나오는 경우도 있다... [9] 사실 심전도도 잡음에 포함되지만 그렇다고 심장을 멈출 수는 없으니(...) [10] Wi-Fi, 무선마우스 및 키보드에 쓰는 USB동글과 같은 통신 규격 [11] 단, 그러한 무선신호의 혼입에 대해서는 주의할 필요가 있다. 또한 무선 장비는 전극이 빌트인 방식이라 채널 수를 바꿀 수 없다는 단점이 존재한다. 물론 이는 이미 시장에 나온 제품에 관한 이야기이고 연구실에서는 보통 채널수 조정이 가능하게 설계를 한다. [12] MRI는 본 목적인 영상 분석 이외에 응용할 수 있는 분야가 거의 없다. [13] MRI 촬영을 하려면 방사선사나 의사가 최소 한 명은 필요하다. [14] 땀과 분비물로 금속의 부식이 빨리 진행된다. [15] 물론 최근에는 32채널 이상의 초고가 장비를 활용해서 뇌 표면에 대한 2D 활성 지도는 어느 정도 만들 수는 있지만, 정확도가 그리 높지는 않다. [16] 이 때문에 실험실에서는 아예 전극일체형 캡을 피험자에게 씌워버려서 전극이 안정적으로 고정될 수 있게 한다. [17] 그래서 뇌파검사실이 있는곳엔 세발실이 있다. [18] 참고로 심전도, 근전도 및 안구전도의 단위는 mV로 1000분의 1볼트 수준이다. 물론 이것도 상당히 미약한 수준이지만... [19] 네코미미는 원래 일본 서브컬쳐에서 널리 인기를 끄는 요소이다. 자세한 사항은 해당 항목 참조. [20] 또한, 한국타이어에서는 이에 질새라 뇌파로 움직이며 타이어 자체에 모터를 장착, 엔진없이 운행하는 자동차를 선보였으며 탑기어 코리아에서도 소개되었다. 제작기간이 5개월밖에 되지 않았다고 한다! [21] 정확히는 종합적으로 드러나는 감정이나 의식의 파장이다. [22] 뇌파로 가상현실을 구현한다는 전형적인 오류에 해당한다.(소아온이 좋은 예시)

분류