1. 개요
□ 연구목적
○ 가장 단순한 포유류인 마우스의 기억에 대한 뇌 신호를 측정하고 분석하는 연구를 진행한다. 뇌활동이 전기신호를 통해 전달되는 것을 이해하고, 학습 상태에 따라서 그 전기신호의 파동적 특성이 달라짐을 관찰한다. 또한 신호들을 기록하고 이 신호들을 비선형 분석법으로 분석하여 기억에 대한 특징들을 추출하고자 한다. 마우스는 많이 연구되는 단순한 포유류 의 한 종류로서 마우스의 뇌에 대한 연구는 앞으로 다양한 포유류의 뇌의 특성을 이해하는 기초가 될 것이다.
○ 본 연구는 반복적인 소리자극이 미치는 영향을 분석하기 위해 진행되 었으며 그 척도로 뇌파를 사용하였다. 뇌파는 전자파가 뇌에 미치는 영향이나 뇌기능을 검사하는 연구에서 분석수단으로 많이 쓰였으며, 이로 인해 충분한 과학적인 검증을 거쳤으므로 본 연구에서는 뇌파와 뇌의 기능의 상관관계에 대한 의문점을 품지 않고 연구를 진행하였 다. 뿐만 아니라 단순한 반복적인 소리의 자극이 아닌 음계와 같은 멜로디 선율을 가지는 소리를 반복적으로 들려주면서 이에 의한 뇌파 의 영향을 보고자 했다. 이 때, 멜로디의 선율의 심리적인 영향을 알아보기 위해 장조와 단조음계로 각각 자극을 주었다. 그리고 활동 성이 많은 경우와 활동성이 없는 경우에 대한 뇌파를 분석하기 위해 Wheel운동을 하는 경우와 Wheel운동을 하지 않는 경우에 대해 실험 을 진행하였다.
□ 연구범위
○ 현대 사회에 들어서면서 인간이 살아가는 삶이 더욱더 윤택해지고 있다. 자동차에서 텔레비전까지 거의 모든 전자제품이 인간의 삶을 편리하 게 하기 위해 존재하고 있다. 그런 와중에 오히려 이 제품들이 인체에 미치는 영향에 대해서 연구(이수정, 이태일(2004) 등)가 발표되면서 인간의 삶의 안정성과 편리함을 다시 재검토해보는 연구가 중요해지고 있다. 이렇 게 전자제품과 이동수단의 발달이 인간의 삶을 윤택하게 해주지만 인간은 기본적인 욕구를 가장 중요시한다. 이런 욕구는 의식주에 관한 욕구를
의미하며 이 욕구와 관련된 상식적인 요소가 욕구 충족에 있어서 어떤 영향을 주는지 또한 중요하게 여겨지고 있다. 이 외에도 부가적인 요소가 인간의 일생에 첨가되면서 만족도를 높이기 위한 연구는 계속되어 가고 있다. 이렇게 인간의 삶을 어떻게 하면 윤택하게 할 수 있을까 고민하는 시기에 생활의 불쾌감을 높여주는 요소가 여러 개 있는데, 이 중 하나를
‘소음’이라고 할 수 있다. 소음은 주로 크고 반복적인 소리자극을 의미하 며 이런 자극이 미치는 영향이 감정적으로 안 좋기 때문에 소음은 종류를 불문하고 부정적인 요소로 간주되어왔다. 이런 소음이 뇌파에 어떤 영향을 미칠 수 있을지 본 연구에서 고찰해보도록 하였다. 뇌파는 현재 각광받고 있는 연구 분야이며 이 파동을 분석함으로써 뇌 기능에 대한 고찰을 해볼 수 있기 때문에 이에 대한 연구는 활발하게 진행되고 있다. 또한 뇌파를 이용하여 뇌 기능을 분석하는 연구가 있다는 것을 토대로 뇌파를 이용한 뇌 기능 분석이 유효하다는 것을 뒷받침할 수 있었다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
뇌파는 크게 4가지의 파동, α파, β파, γ파, θ파로 나뉘며 이는 주파수 와 진폭의 성질에 의해 분류된다. α파(8-12.99Hz)는 심신이 안정을 취하고 있을 때 나오는 파동으로 사람뇌파의 대표적인 성분이다.
주파수가 매우 낮은 것이 특징이며 뇌의 발달과 밀접한 관련을 가지 고 있다. β(13-38Hz)파는 ‘스트레스 파’라고도 불리며 불안과 긴 장 상태에서의 활동파이다. 진폭이 중간 크기 정도 되며, 표면적인 심리를 나타내는 척도 이기도 하다. 베타파 중에서도 활동적인 작업 을 하는지 높은 집중력을 요하는 작업을 하는지에 따라 고베타파와 저베타파로 나뉜다. θ(4-8Hz)파는 ‘졸음파’ 또는 ‘서파수면파’
라고 불리며 잠에 파져들 때 통과하는 뇌파이다. 얕은 수면(깊은 휴식) 에서 나타나는 파동이며 진폭이 큰 편이다. γ(38-42Hz)파는 극도의 각성상태에 있거나 흥분상태에 있을 때 나타나는 파동이며 전두엽과 두정엽에서 2μV 에서 20μV의 진폭을 가지는 것이 보통이다. 이
파동은 인간의 표면적인 심리와 내부적인 심리를 반영하는 파동이며 뇌에서 가장 뚜렷하게 관측되는 편이다.
□ 연구주제의 선정
○ 학생들은 평소에 서울에서 진행되는 뇌과학 강연들을 들으면서 인지 능력에 대한 흥미를 갖고 있었다. 평소에도 심리학에 관심이 많았으 며, 인간의 인지 능력에도 흥미를 갖고 있던 학생들은 뇌와 인지능력 의 상관관계에도 흥미를 갖게 되었다. 학생들은 다양한 강연들을 들으면서 뇌의 신피질이 포유류의 인지 활동에 가장 중요한 역할을 하는 부위라는 것을 알게 되었다. 학생들은 가장 간단한 포유류의 뇌를 연구하는 것이 가장 간단한 출발점이 될 수 있다는 생각을 갖게 되었으며, 이러한 간단한 동물인 마우스를 연구하는 연구소들을 찾아 보게 되었다. 지도교사로 이러한 연구소를 찾던 중 한국과학기술연구 원에서 마우스의 인지능력에 대한 실험을 진행하는 것을 알게 되었으 며 외부 자문으로 초청하여 공동 연구를 진행하는 것을 착안하게 되어 이 과제를 수행하였다.
○ 본래 소음을 정부에서 규정하듯이 일정 크기 이상의 소리라고 규정 하는 것이 정말 적합한 기준인지 알아보기 위해 본 연구를 진행했다.
우리가 일상생활에서 소음이라고 느끼는 것에는 개인의 차이가 크며 이 차이는 소음의 범위를 좌우한다. 민감한 사람이 느끼는 소음은 큰 소리, 반복적인 소리 자극 등이 있으며 이에 대한 신경성 질환이나 스트레스성 질환을 앓고 있는 사례가 있다. 현재 정부가 시행하고 있는 소음 규제법 [noise control law]는 공장 및 건설 공사 현장 등에서 발생하는 소음의 규제와 자동차의 진행 중에 발생하는 경음의 허용한 도를 정해놓고 있으며 이런 규제를 통해 소음에 의한 악영향을 줄이 려 노력하고 있다. 뿐만 아니라 현재 층간 소음을 규제하는 공동 부령을 마련하는 등의 노력으로 ‘소음’에 의한 피해를 줄이려 노력 하고 있다. 이런 규제는 보통 바닥의 두께를 규정함으로써 규제하고 있다. 많은 사람들은 그렇게 소음을 규정하는 것은 소리를 너무 국한 적으로 보는 것이라며 단지 큰 소리가 아닌 더 광범위한 소리들을
규제해야 한다고 비판한다. 사람들은 흔히 반복적인 소리자극 또한 소음이라고 볼 수 있다며 이에 대한 규제를 강화해야 한다고 주장한 다. 따라서 반복적인 소리자극이 소음을 규제하는 데에 있어 기준이 될 수 있을 수 있다는 주장에 따라 본 연구에서는 반복적인 소리자극 을 주었을 때 뇌파가 어떻게 변하는 지를 분석함으로써 반복적인 소리 자극의 뇌파에 대한 영향을 살펴보고자 하였다.
-
□ 연구 방법
○ 뇌파 측정 준비 과정(Mouse 수술)
준비과정은 크게 삽입할 전극을 납땜하여 제작하는 과정과 mouse를 수술하여 전극을 삽입하는 과정으로 나뉜다.
먼저 전극은 mouse의 뇌에 삽입할 안경나사와 컴퓨터와 연결한 탐침, 그리고 그 사이를 연결하는 전선으로 이루어져있다. 1mm두 께, 3cm길이의 connecter가 달린 얇은 전선의 connecter가 달린 반대쪽의 0.7cm정도를 표피를 벗겨낸다. 안경 나사의 두꺼운 부 분과 앞에서 벗겨낸 부분의 말단을 납땜으로 연결하여 스크류 전 선을 만든다. 이를 반복하여 스크류 전선을 총 12개 만든다.
Mouse를 수술하기 위해 실험용 mouse의 질량을 측정하고 Mouse 의 복강에 측정한 질량에 맞는 주사량의 마취약을 주사한다. 이 후 실험용 mouse를 mouse용 수술대에 고정시킨다. 이 때 귀 밑 에 고정대를 정확히 고정시켜 mouse 몸체를 앞뒤로 회전시켜도 회전축과 같이 고정될 수 있도록 한다. 아래 Figure 1은 쥐의 머 리를 고정시킨 고정대의 모습이다.
수술은 Mouse의 두피를 절개한 뒤 두개골에 전극을 박은 뒤 다 시 봉합을 하는 과정이므로 쥐의 신체에 해가 가지 않도록 주의 한다. 메스로 실험용 mouse의 머리를 절개한다. 이 때 뇌 겉의 tissue도 같이 절단한다. 이 후 mouse의 두개골 표면을 면봉으로 깨끗하게 문질러 준다.
3차원 측정기를 이용하여 전극을 박을 위치의 3차원 좌표를 측
정하고 펜으로 표시를 한다. 이 때 전두엽, 측두엽, 그리고 후두 엽의 좌우 부분에 전극을 박는다. 아래 Figure 2는 사용한 3차원 측정기의 모습이다.
드릴을 이용하여 앞에서 표시한 전극을 박을 4개의 위치와 고정 용 나사를 박을 1개의 위치에 청공한다. 표시한 4개의 위치에 3 에서 만든 4개의 스크류 전선의 전극 부분(안경 나사가 있는 부 위)을 Needle Holder를 이용하여 돌려서 삽입한다. 삽입된 4개의 connecter를 모아서 hub와 연결한다. 치과 수용성 시멘트를 이용 하여 hub와 connecter와 닿지 않도록 전선과 나사를 덮는다. 다 음 Figure 3은 치과 수용성 시멘트를 이용하여 본딩을 하는 모습 이다. 그런 뒤 고정대를 해체하고 mouse를 cage에 넣는다.
○ ASSR(Auditory steady-state response) 측정
수술이 끝난 mouse에게 일주일간의 회복기간을 준 후에 mouse의 뇌파를 측정한다. 소리자극은 stimulation frequency가 20kHz인 sine파가 repeat frequency는 20Hz, 30Hz, 40Hz가 무작위적으로 반복되는 상태인 소리자극이 0.5초 진행되고 0.7초간 자극이 없는 sound가 반복되는 소리자극을 이용하였다. 총 450번의 stimulation을 통해 trial 수를 높임으로써 통계적인 오차를 최소화 하였다.
그림 1 마우스용 수술대
그림 2 3차원 측정기의 이용
그림 3 쥐에 전선들을 본딩하는 모습
실험은 크게 4가지로 이루어지며 Base line, Base line with sound stimulation, Base line of Wheel, Wheel with stimulation으로 이루 어 진다. 전체적인 과정은 다음과 같다. 수술이 끝난 mouse를 톱 밥이 깔린 비커에 넣고 Hub를 컴퓨터와 연결한다. 이후 컴퓨터와
연결된 스피커 두 개를 mouse의 양 옆에 설치한다. 아무 자극도 가하지 않는 상태에서 5분간 뇌파를 측정한다(Base line). Trigger 를 이용해서 소리자극 발생과 뇌파 측정을 동기화하고 소리 자극 을 가하는 상태에서 27분간 뇌파를 측정한다(With stimulation). 그 냥 Base line의 경우에는 비커(Wheel 의 실험에 경우에는 Wheel) 에 mouse를 넣고 톱밥으로 환경을 조성한 후 기본 상태의 뇌파 를 찍는 것이며 Base line with stimulation은 비커 양 옆에 스피커 를 설치하여 자극을 가하는 것이다. Base line of Wheel 의 경우 에는 Wheel 운동을 하고 있는 도중 마우스의 기본뇌파를 측정하 는 것이며 Wheel with stimulation은 Wheel운동을 하면서 소리자 극을 양 옆에서 가하는 실험이다.
□ 연구 활동 및 과정
○ 장조•단조 자극 뇌파 측정
본 실험은 반복적인 자극을 장조 음계로 가했을 때의 뇌파의 모 습과 단조로 가했을 때의 뇌파의 모습을 분석하기 위해 진행하 였다. 수술이 끝난 mouse에게 일주일간의 회복기간을 준 후에 mouse의 뇌파를 측정한다. 장조와 단조 자극 실험은 ASSR의 특 성 상 단순한 beat로 자극을 주는 것은 영향을 주지 않을 수도 있을 거라는 고려하에 진행한 실험이다. 장조와 단조 자극은 각 각 다장조와 다단조를 이용하였다. 천천히 음계를 따라 올라가고 내려가는 소리의 정렬이 8초간 재생되고 4초간 휴식되는 구간이 50회간 반복된다. 사용한 음계는 아래의 Figure 4과 5의 음계이 다. 수술이 끝난 mouse를 톱밥이 깔린 비커에 넣고 Hub를 컴퓨 터와 연결한 후, 컴퓨터와 연결된 스피커 두 개를 mouse가 담긴 비커 양 옆에 설치하고 Trigger를 이용해서 소리자극 발생과 뇌 파 측정을 동기화한다. 장조 자극을 가한 상태에서 10분간 뇌파 를 측정하고 단조 자극을 가한 상태에서 10분간 뇌파를 측정한 다. 실험하는 전 과정에서 주변 잡음을 없애기 위해 방음벽으로
둘러싸인 방 안에 쥐를 넣고 실험했다.
장조신호
단조 신호
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
○ 위 실험을 통해 얻게 된 실험 data를 matlab을 이용하여 푸리에 분석 (FFT)을 하면, 다음과 같은 그래프들을 얻을 수 있는데, 각 실험 대상 쥐 Jerry와 Mouse에 대한 뇌파 그래프는 다음과 같다. 이 그래프의 x축은 frequency, y축은 amplitude인데, x축의 frequency를 각 그래프 별로 비교 해 봄을 통해 특정 뇌파가 존재하는지의 여부 등을 확인해 볼 수 있다.
1) Jerry
Base, Stimulation, Wheel, Wheel with Stimulation 은 각각 평상시 의 기본적인 뇌파의 frequency, 활동량이 상대적으로 적을 때 (wheel 운동을 하지 않았을 때) 소리자극(stimulation)을 준 것, 활 동량이 상대적으로 많을 때 즉, Wheel 운동을 할 때 기본적인 뇌 파의 frequency, 그리고 Wheel 운동을 하면서 소리자극을 들려주 었을 때의 뇌파이며 이는 Amplitude와 time에 관해 나와있는 데이 터를 FFT(Fast Fourier Transform)을 통해 얻은 결과이다. 위의 Figure 4는 Base line 과 Base line and stimulating, 그리고 Wheel base line 과 Wheel and Stimulating에서의 뇌파를 한꺼번에 기록 한 것이다. Figure 5과 6은 각각 Wheel 운동을 하면서 소리 자극 을 받은 실험과 아무 것도 처리하지 않은 상태에서의 주의 뇌파를 FFT 분석을 통해 처리한 결과이다. Figure 7은 장조와 단조 음계
를 각각 들려준 뒤에 장조의 뇌파와 단조의 뇌파를 FFT로 분석한 뒤 이 두 결과의 오차를 구한 결과의 그래프이다. 위의 Figure에서 볼 수 있듯이 전체적으로 양과 음의 값을 번갈아 가지며 편차가 나타나고 있다.
그림 4 Jerry(Amp. vs Frequency)-base, stim, wheel, wheel+stim
그림 5 Jerry(Amp. vs Frequency) -wheel with stimulation
그림 6 Jerry(Amp. vs Frequency) – base without stimulation
2) Mickey
Figure 8은 Mickey 에서 한 실험 모두를 병합해 놓은 그래프이 다. Figure 9, 10은 각각 Baseline 과 Stimulation을 한 실험을 나 타낸 그래프이다. Figure 11는 단조 음계의 자극을 주었을 때와 장조 음계의 자극을 주었을 때의 뇌파의 차이를 나타낸 그래프이
다. 각각의 데이터를 FFT 한 뒤 편차를 내어 살펴보았다. 이 때 전반적으로 양의 차이와 음의 차이를 번갈아 오가는 것으로 보아 어떤 것이 더 우세인지 말할 수 없다는 것을 알 수 있으며 이는 이 둘 사이의 차이가 사실상 없다는 것을 말해준다.
그림 7 error rate of EEG of minor scale compared to major
그림 8 Mickey(Amplitude vs Frequency) Backgroud+Stimulation+Wheel+Wheel Stimulation
그림 9 Mickey(Amp. vs Frequency)Baseline
그림 10 Mickey(Amp.vsFrequency)Stimulation
그림 11 error rate of EEG in minor scale compared to major scale
□ 시사점
본 실험에서는 제한적인 경우에 대해서 소리 자극이 마우스의 뇌파에 주는 영향을 탐구하였다. 특히, 기존의 실험들과는 다르게 휠 위에서 운동하는 마우스에게 소리 자극을 주는 상황에서 뇌파의 분석을 하였 으며, 소리 자극으로 기존의 실험에서 많이 사용하는 ASSR test와 추가 적으로 음정이 있는 음계 (다 장조, 가 단조)의 소리를 사용하여 소리 자극이 가질 수 있는 변수인 진동수, 반복 주기, 음정 간의 조화를 다양 화하여 실험을 진행하였다. 실험을 진행한 결과, 몇 가지 결론을 내릴 수 있었다.
첫 번째, ASSR test 결과 최종적인 실험을 진행한 두 마리의 마우 스인 Jerry, Mickey 모두 정상적인 반응을 보이며, 두 마우스가 다 른 소리 자극을 받아들이고 반응하는데 문제가 없을 것으로 판단 되었다.
두 번째, 마우스의 경우는 인간인 우리가 인식하는 음계의 소리에 대해서 다른 소리와 특별하게 다른 반응을 보이지 않은 것으로 보 인다. 장조와 단조의 자극을 받을 때의 뇌파의 유형은 거의 동일 하며, 이는 휠 위에서 운동할 때와 휴식 상태 모두에서 공통적인 결과이다.
세 번째, 휠 위에서 운동할 때와 휴식 상태에서 소리 자극에 대한 마우스의 EEG 반응은 거의 동일한 유형을 보인다. 이는 소리 자 극의 효과가 휠 운동과 같은 신체적 활동과는 연관성이 없는 것으 로 생각해 볼 수 있다.
네 번째, 들려주는 소리가 장조와 단조로 바뀌어도 큰 차이가 없 음을 알 수 있다. 이는 소리의 다양성이 뇌파의 영향을 미치는 필 수적인 요소는 아니라는 것을 말해준다.
하지만, 결론에 대한 확신을 얻기 위해서는 추가적으로 진행할 실 험들이 여럿 있다. 우선적으로, 위의 결론에 대한 통계적인 정확성 을 위해서는 더 많은 마우스에 대해서 더 많은 횟수의 실험을 진 행하여 마우스 개체 각각의 특수성이나, 실험 시 마우스의 상태에 따른 오차를 최소화하여야 한다. 또한, ASSR test에 사용했던 단순 한 sine형의 소리뿐만 아니라, 다른 형태의 소리 자극과 인간이 사 용하는 음계가 아닌 마우스에게 맞는 음계에 대해서도 실험을 진 행할 필요성이 있다. 이를 토대로 더욱 정확하고 의미 있는 결과 를 도출할 수 있을 것이다. 여기서 더 나아가 현재 실험 결과로부 터 추가적으로 생각할 수 있는 몇 가지 일반적이고 가능성이 높은 가설들과 이를 검증할 방법 또한 생각해보았다.
첫 번째, 인간의 경우도 신체적 활동을 하는 것이 소리 자극에 대 한 반응에 변화를 주지 못할 가능성이 높다. 마우스의 경우에서도 제한적으로 이 가설을 검증하였는데, 마우스와 비슷한 포유류인 인간의 경우도 그럴 가능성이 있으며, 이는 위의 실험을 인간에게 비슷한 방법으로 진행하여 검증할 수 있다.
두 번째, 신체적인 활동을 증가시킨 휠 운동 상태의 마우스와 반 대로 수면 상태에서의 마우스에 대해 소리 자극에 대한 EEG 반응 을 확인한다면 유의미한 차이가 있을 가능성이 높다. 위 실험에서 는 이를 고려하지 못했지만, 더욱 다양한 상태에서 소리 자극이 주는 영향을 알아봄으로써 더 소리 자극에 대한 더 일반적인 결론 을 내릴 수 있을 것이다.
세 번째, 본 실험에서는 소리의 종류와 진동수에 초점을 두어 소
리의 세기를 통제하였지만, 소음과 관련해서 더욱 구체적으로 실 험을 계획한다면, 소리의 세기에 대한 고려도 해보아야 한다. 실제 로, 소리의 세기가 마우스의 EEG 반응의 정도나 빈도에 큰 영향 을 끼칠 것으로 예상된다.
결론적으로 본 실험에서는 마우스의 운동 상태와 소리 자극에 의 한 EEG의 변화에 대해 탐구하여, 제한적으로 이 둘 사이에 큰 연 관성이 없었음을 확인할 수 있었다. 처음의 실험 동기에 비추어 생각해보았을 때, 다양한 소리 (음악, 소음)가 우리의 생활에 어떤 영향을 주는지에 대한 확답은 얻지 못했지만, 대략적으로나마 무 언가에 집중하거나 어떠한 활동을 하고 있는 상황에서 소리의 영 향이 더욱 뚜렷하지는 않는 것으로 답을 얻을 수 있었다
4. 홍보 및 사후 활용
□ 교내외 여러 연구대회에 이 연구결과들을 제출하고 또한, 논문으로 집필할 예정이다.
5. 참고문헌
[1] 김선형, 백기자, 이선규, “뇌파기반 성인 비만인의 뇌기능과 비만도와 의 상관성 연구”, 한국산학기술학회논문지 13(7), pp. 2949-2954, 2012
[2] 이수정, 이태일, “전자파가 인체에 미치는 영향 – 전자파 차폐소재 와 청각자극에 나타난 뇌파전위의 변화”, 한국의류산업학회지 6(4), pp. 503-510, 2004
[3] R. Bhoria, S. Gupta, “A Study of the effect of sound on EEG”, International Journal of Electronics and Computer Science Engineering pp. 88-93 (6pages)
[4] R.E.Brown, R.Basheer, J.T. McKenna, R.E. Strecker, Robert W,
“Control of Sleep and Wakefulness”, NIH Public Access Physiol Rev. 2012 July ; 92(3): pp. 1087-1187, 2012 July
[5] Laszio Harmat, “Music improves sleep quality in student”, Journal of Advanced Nursing, 62권 3호, pp. 327-335, 2008 May
[6] 최애나, 박형준, “음악치료가 외상 후 스트레스를 받은 청소년의 뇌파변화 및 정서, 우울, 불안 감소에 미치는 영향”, 한국가정관리학 회지, 제 26권 4호, 2008
[7] 김정일, 장수민, 박성파, 장일성, 최병주, 김상헌, 이호원, 이만기, “태 생 전 임신 15일째 Methylazoxymethanol에 노툴된 쥐의 수면각성주기 이상 및 신경생리학적 이상”, 생물치료정신의학, 제 12권 제 2호, 2006
