목 차 >>> 1. 서 론
2. 컴퓨터 게임을 이용한 뇌 훈련 3. 신체와 연결된 뇌 훈련 4. 마음과 연결된 뇌 조절 5. 결 론
1. 서 론
우리는 다양한 운동을 통해 건강한 신체를 유 지하고 단련하기 위해 노력한다. 특히 나이가 들 수록 근육의 양이 줄어들기 때문에 헬스장 등에 서 집중적인 근육강화운동을 함으로써 근육 양을 적정하게 유지하려는 사람이 많다. 우리 뇌도 노 화현상으로 뇌세포가 줄어들고, 노인성 치매나 뇌졸중 등의 병적인 원인으로 뇌가 손상을 받는 다. 그렇다면, 신체적인 운동 (Physical fitness)처 럼, 우리 뇌도 훈련을 통해 약화된 뇌기능을 회복 시키거나 알츠하이머 치매 같은 퇴행성 뇌질환의 위험을 줄일 수 있다. 이것에 대한 과학적 근거는 우리 두뇌가 경험에 의해 변화되는 능력이 있다 는 뇌가소성(Neuroplasticity)이다. 이는 뇌의 신경 경로가 외부의 자극, 경험, 학습에 의해 뇌의 물 리적 구조와 기능적 조직이 변화하고 재조직화 되는 현상이다. 또한 뇌가 젊을 때에 굳어 버리는 것이 아니라 살아있는 동안에는 지속적으로 변화
가 가능하다는 것이다. 따라서, 꾸준한 뇌 훈련 (Brain fitness)을 통해 우리의 뇌를 젊게 유지할 수 있다. 앞으로 이러한 효과적인 뇌 훈련을 위한 ICT융합 기술들을 소개하고자 한다.
2. 컴퓨터 게임을 이용한 뇌 훈련
최근 미국 캘리포니아 주립대 샌프란시스코 캠 퍼스(UCSF)의 연구진은 세계적 과학전문지 네이 처(Nature 저널, 2013년 9월)에 멀티태스킹 비디 오 게임 같은 활동을 통해 뇌를 꾸준히 자극할 경 우, 80대의 늙은 뇌도 20대처럼 개선될 수 있음을 보여주는 연구결과를 발표하였다[1]. 연구진이 주 목한 3D 자동차 게임 ‘뉴로레이서’는 양손을 동 시에 사용하여 운전 도중 날아오는 표지판을 식 별해 내는 멀티태스킹(multi-tasking)방식의 컴퓨 터 게임으로, 이 게임을 지속적으로 한 60대 이상 의 노인의 경우 기억력과 집중력 등 인지능력이 실험 전에 비해 4배가량 향상된다는 것을 발견했
(그림 1) 뇌 훈련을 위한 멀티태스킹 비디오게임 (뉴로레이서)
(그림 2) Lomocity의 “Playing Koi” & Dakim의 터치스크린기반 인지게임 다. 실험 참가자의 뇌파흐름도 주로 20대의 뇌에
서 활발하게 나타나는 세타(theta)파의 양이 폭발 적으로 증가했다. 더욱 주목할 부분은 한번 향상 된 인지능력은 6개월이 지나도 그대로 유지되고, 뇌 인지능력이 게임 외 일상 활동에도 좋아졌다 는 점이다.
미국의 오하이오대학에서는 ‘더블디시전(Double decision)’이란 컴퓨터게임이 노화와 관련된 뇌기 능 저하를 늦추고 심지어 역전시킬 수도 있다고 밝히고 있다 (PLoS ONE 저널, 2013년 5월). ‘더 블디시전’은 정신집중을 방해하는 요소들이 점점 더 늘어나는 와중에 차량과 도로표지판을 가능한 빨리 매치시키는 게임이다. 다양한 인지게임을 하는 노인들은 더 나은 건강관련 성취력과 운전 기록을 보였고 음식준비 같은 일상적인 과업도 더 잘 수행하는 것으로 나타났다.
이러한 학문적인 연구를 배경으로, 미국을 중 심으로 상업적으로 출시된 뇌 훈련용 비디오게임 들이 선풍적인 인기를 얻고 있다. 미국의
Lumosity는 인지 신경과학 연구를 바탕으로 만든 온라인 brain fitness 프로그램이며 계속해서 다양 한 인지력 훈련 서비스를 제공하고 있고 미국 내 5000대 site로 선정(한 달 사이트 방문 100만 명 이상)되기도 하였다.
최근에는 모바일 폰에서도 인지게임을 즐길 수 있다. Brain Resource Center는 앞선 건강 심리학 과 응용 신경과학을 보유하고 심리학적, 정서적, 인지적 건강을 이루는데 중요한 요소로 작용하는 뇌 기능을 향상시키는데 목적이 있는 개인화된 교육을 통해 뇌 건강을 증진시키고자 했다. 이를 위해 터치스크린을 이용한 웹 기반의 다양한 인 지력 테스트 시스템을 보유하고 있으며, 인지 DB 구축 및 솔루션을 제공하고 있다.
Dakim의 BrainFitness은 두뇌 훈련을 마치 좋 아하는 TV 쇼를 보는 느낌이 들게끔 설계 되었 다. 또한 고령자들만을 위해 설계되었기 때문에 컴퓨터를 사용한 경험이 없어도 쉽게 이용할 수 가 있다. 이 제품은 그림과 소리를 통하여 노인들
(그림 3) Nitendo의 Brain Age
(그림 4) 뉴로사이언스러닝의 BrainHQ 에게 정보를 제공하며, 중간 중간에 간단한 문제
들이 제공된다.
일본 게임업체 Nintendo는 두뇌 활성화 프로그 램을 게임형식으로 제공하였다. 특히, 2009년 3 월 brainAge는 5.5백만 대 이상 판매되어 두뇌훈 련 게임의 선풍을 이끌었다.
두뇌훈련 및 학습 전문기업인 뉴로사이언스러 닝의 BrainHQ는 뇌를 지속적으로 자극함으로써 뇌 가소성(neuroplasticity)을 늘려 두뇌기능을 개 선한다. 컴퓨터 형식으로 이뤄진 각각의 훈련 과 정은 사용자가 쉽고 재미있게 프로그램을 활용할 수 있게 하며 개인 수준에 맞춰 난이도를 조절할 수 있어 학생부터 노년층까지 효과를 볼 수 있다.
매일 20분씩 10시간 훈련하면 교통사고 발생률은 절반 수준으로 감소하는 반면 운전 시 시야범위 (useful field of view, UFOV)는 두 배 넓어지는 것으로 나타났다. 시속 88.㎞로 주행 시 정지거리 도 6.7m 단축됐고 이 같은 효과가 5년간 유지되
는 것으로 분석했다. 또한 65세 이상 고령층에서 자주 발생하는 만성심부전(Chronic Heart Failure, CHF)도 인지기능 저하의 원인이 될 수 있다. 두 뇌훈련은 만성심부전 환자의 저하된 인지기능을 회복시키는 역할을 한다. 최근 미국 미시건대 연 구팀이 진행한 상호심사연구 결과 브레인HQ 훈 련을 받은 만성심부전 환자의 50%에서 인지기능 장애가 완화된 것으로 나타났다. 참가자들은 회 상 기억력, 목록 외우기, 두뇌 처리속도, 일상생 활기능 등에서 향상된 모습을 보였다. ‘MEMOIR 연구’로 불리는 이 연구는 국제학술지 ‘심부전 (Journal of Cardiac Failure)’에 발표됐다 [2].
3. 신체와 연결된 뇌 훈련
신체를 많이 움직이는 육체적 활동이 학습, 기 억 등 뇌기능이 향상시킨다는 연구들이 많이 있 다. 최근 미국 솔크생물 과학연구소의 헬리에테
(그림 5) MS 키넥트기반 body and brain exercise
(그림 6) Nintendo Wii 기반 게임 반 프라그 박사는 국립과학원 학술지에 발표한
연구보고서에서 운동을 많이 하면 학습과 기억에 중요한 역할을 하는 뇌부위에 새로운 세포들이 자라나며 그 뇌부위의 기능이 전반적으로 향상되 는 것으로 쥐 실험 결과 밝혀졌다고 말했다[3]. 이 처럼 신체를 이용한 두뇌훈련 게임의 또 하나의 장점은 기존의 컴퓨터기반 게임보다 훨씬 재미와 몰입도가 높아서, 꾸준히 뇌 훈련을 할 수 있는 환경을 제공하고 있다.
일본의 카와시마 박사는 모든 연령이 쉽게 즐 길 수 있는 마이크로소프트 키넥트 기반의 Body and Brain exercise라는 게임을 개발하였다. 기존 의 컴퓨터 게임과는 다르게 몸을 움직여서 수학, 논리, 기억력 테스트 등의 게임을 하는 것으로 두 뇌활동이 신체적인 움직임과 연결되어 있기 때문 에 이러한 몸과 두뇌를 동시에 사용할 경우 뇌기 능에 더 큰 도움이 된다고 할 수 있다. 일본의 게 임기 업체인 닌텐도도 사람의 동작을 인식할 수
있는 기술을 접목하여 몸의 움직임을 통해 게임을 할 수 있는 Wii라는 제품을 출시하여 많은 인기를 얻었고 이 게임도구를 기반한 인지기능을 향상시 키고자 하는 연구들이 활발히 진행되고 있다.
일반인들을 대상으로 하는 게임이 아닌 환자의 인지 재활을 돕기 위한 도구들도 있다. Timocco 는 주로 아이들의 인지 및 운동 기능을 향상시키 고, 관련 질환 (ADHD, 자폐, 학습 및 인지 장애 등)의 재활을 돕기 위한 인터랙티브 게임 환경을 제공한다. 국내의 한국과학기술연구원(KIST)에 서는 인터랙티브 테이블기반의 인지재활 시스템 을 개발하였다. 이 시스템의 테이블탑 디스플레 이는 디지털정보를 보여줄 뿐만 아니라, 테이블 위에 놓인 물리적인 도구의 위치와 종류를 인식 할 수 있는 장치이다. 인지장애 환자가 이러한 물 리적인 도구를 손으로 조작함으로써 게임을 수행 할 수 있는 직관적인 인터페이스를 제공한다. 한 가지 예로써, 일상생활과 관련된 쿠키만들기 게
(그림 7) Timocco 와 KIST 테이블탑 인지재활도구
(그림 8) 치매 예방을 위한 게임 개발
임은 쿠키툴, 시럽바르는 붓, 토핑병 등의 물리적 인 도구를 가지고 쿠키를 만드는 과정에서 기억 력, 계산력, 집행력 등을 훈련하는 게임을 진행하 게 된다.
뇌세포 감소와 운동부족을 예방하기 위하여 원 광대학교 컴퓨터공학과와 공업기술개발연구소에 서 제스처 인식 기반 3D 기능성 게임이 개발되었 다 [5]. 개발된 기능성 게임은 전신 제스처 인식을 이용함으로써 사용자의 두뇌 사용능력과 활동성 을 증가시킨다. 기억력, 논리력, 산술능력, 공간인 지능력의정신적 활동을 수행함으로써 일반적인 모든 치매의 초기증상인 뇌세포 감소 억제에 효 과적으로 작용한다. 또한 치매 예방을 위한 정신 적 활동뿐만 아니라 전신 제스처 인식을 통하여 수행되는 사용자 친화 인터페이스는 육체적 활동 까지 병행할 수 있어 지능감퇴를 예방하고 기억 력 소실을 지연시키는데 효과적이다.
4. 마음과 연결된 뇌 조절
1929년에 독일의 정신과 의사인 한스 베르거 (Hans Berger, 1873~1941)가 발표한 뇌파(EEG, Electroencephalography)는 뇌신경 사이에 신호가 전달될 때 생기는 전기의 흐름으로써, 인간의 뇌 활동상태를 보여주는 중요한 생체신호다. 이러한 뇌파는 정신 활동 상태에 따라 그 진동이 빠르거 나 느려지는 특징이 있고, 크게는 델타파(1~4Hz), 세타파(4~8Hz), 알파파(8~13Hz), 베타파 (13~30Hz), 감마파(30~120Hz)로 구분된다. 따라 서 뇌파의 기본적인 리듬 분석만으로도 뇌기능 건강과 관련된 정보를 간접적으로 얻을 수 있다.
예를 들면 주의가 산만한 주의력결핍증(ADHD) 환자는 뇌파가 정상인에 비해 느리고, 자폐나 정 신지체, 치매 등은 모두 세타파가 아주 강해지는 특징이 있다[4].
(그림 10) Center for complementary and alternative medicine
(그림 11) 뇌파 측정 장치 이모티브 헤드셋(Emotiv Headset) (그림 9) 뉴로피드백의 원리
만일 비정상적인 뇌의 리듬을 조절해 정상적인 리듬으로 바꿀 수 있다면 뇌의 기능도 정상이 될 까? 이것을 가능하게 하는 뇌 훈련 방법이 뉴로 피드백(Neurofeedback)이다. 뉴로피드백은 자신 의 뇌 활동을 시각적으로 보여주고, 기능적으로
1967년 미국 NASA에서 우주비행사들이 모의 비행 훈련을 실시하고 난 이후에 간질 발적 증상 이 발생했는데, 동물실험을 통해 뉴로피드백 훈 련이 간질에 저항하는 효과가 있음이 발견된 이 후, 많은 정신적 질환(ADHD, 불안장애, 불면증, 스트레스 장애, 발달장애, 치매 등)의 치료에 성 공적으로 사용되어 오고 있다. 또한 미국 CNN 방송에서는 정상인에게도 자신의 집중력을 극대 화하기 위해 뉴로피드백 치료를 이용할 수 있으
밝혀졌다. 이러한 뉴로피드백은 인간의 뇌 능력 을 극대화시키고 최적화시키는 기술로 새롭게 자 리매김하고 있다.
뉴로스파이어는 뇌파 확인과 분석 기술을 주의 력결핍과다행동장애(ADHD)에 활용하기 위한 연 구를 진행하고 있다. 현재 ADHD는 약물치료가 가장 많이 사용되고 효과도 높다. 뉴로스파이어 는 약물치료 대신 신경과학과 게임플랫폼을 활용 한 새로운 치료 방법을 제안한다. 뉴로스파이어 는 새로운 치료 방법이 기존 약물 치료와 동등한 효과를 가지고 있으며 향후 운동선수나 군인의 정신 훈련뿐만 아니라 불안, 우울증, 중독 치료에 서 사용할 수 있을 것으로 보고 있다.
5. 결 론
우리나라는 고령화 사회를 넘어 초 고령화 사 회로 빠르게 진입하고 있다. 단순히 오래 사는 것 보다, 건강하게 오래 사는 것이 무엇보다 중요하 다. 신체적 건강을 위해 꾸준한 운동과 더불어 정 신적 건강 또한 앞서 언급한 두뇌훈련 방법을 통 해 항상 젊은 뇌로 유지할 수 있다.
참 고 문 헌
[ 1 ] J.A. Anguera, et al., “Video game training enhances cognitive control in older adults”
Nature, 501, pp.97-101, 2013. 9
[ 2 ] Pressler, S. J., Therrien, B., Riley, P. L., Chou,
memory”, PANS, Vol. 108, No.7, 2010. 09 [ 4 ] 과학동아, 명상, Part 3. 뉴로피드백으로 명상 쉽
게 한다, 2011년 12월.
[ 5 ] Development of Gesture Recognition-Based 3D Serious Games(치매 예방을 위한 제스처 인 식 기반 3D 기능성 게임 개발), Journal of Korea Game Society(한국게임학회 논문지), 제11권, 제6호, pp103~113, 2011년 12월.
저 자 약 력
김 래 현
․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․
이메일 : [email protected]
∙ 1995년 한양대학교 금속공학과(학사)
∙ 1996년 연세대학교 전산학과(석사)
∙ 2003년 University of Southern California Dept. of Computer Science(박사)
∙ 2003~현재 한국과학기술연구원 바이오닉스연구단 책 임연구원
∙ 2005~현재 연합대학원대학교 HCI&로봇응용 겸임교수
∙ 관심분야 : 햅틱인터페이스, Brain-Machine Interface, 의료영상 및 시스템
