뇌파 모양의 비침습적 뇌자극을 통한 작업 기억 증진 연구
민병경 교수팀, 뇌파 동조형 뇌자극 기반 인지 증강 기술 개발
본교 뇌공학과 민병경 교수팀이 뇌파 모양의 뇌자극 신호로 비침습적인 뇌자극을 통해서 작업 기억 (working memory) 증진의 효과를 유발하는 연구 결과를 발표하였다. 아래 그림1에서 보이는 것처럼, 고주파 신호의 크기(amplitude)가 저주파 위상(phase)에 동조되는 모양의 경두개 교류 뇌자극(tACS: transcranial alternating current stimulation) 신호를 피험자의 뇌에 비침습적으로 주어서, 대표적인 작업 기억 과제인 스턴버그(Sternberg) 과제를 수행하는 동안에 피험자의 반응 시간(reaction time)이 유의하게 빨라지는 현상을 발견하였다(그림2A). 과제 수행 정확도(accuracy)의 변화가 유의하게 없는 상황에서 반응 시간이 유의하게 빨라졌다는 이야기는 동일한 작업 기억 과제를 뇌자극을 받은 경우에 더 빠르게 수행했다는 의미여서 작업 기억 능력이 증진되었다는 결과로 해석된다.
또한, 이 작업 기억 수행 능력 증강의 내용을 담고 있는 뇌파 신호의 연결성에서 뇌 안에서의 해당 영역 간에 유의한 변화를 보고하였다. 기억을 머리 속에 담고 있는 동안(retention period)에, 뇌자극을 받은 피험자 집단에서 저주파의 연결성이 뇌지역 간에 강해지는 현상을 발견하였고(그림 2B), 뇌자극을 통해서 뇌기능을 억제하는 알파파가 약해지는 현상을 발견하였다(그림2C). 현재 본 연구를 심화한 내용의 후속 연구로 본 연구팀에서 최근에 좋은 결과를 얻어서 추가 논문을 준비 중에 있고, 추가 연구에서는 fMRI 뇌영상 결과 등의 더 흥미로운 내용을 담고 있어서 기대가 되고 있다.
본 연구는 서울과학기술대학교 인공지능응용학과 김성은 교수팀과 서울아산병원 의공학연구소 김현석 박사, 한림대의대 안민희 박사 등의 공동 연구로 진행되었고, 이번 연구결과는 신경과학분야 최대 인용 국제학술지 시리즈 중의 하나인 Frontiers in Neuroscience(IF=5.152)에 게재되었다. 본 연구는 한국연구재단 휴먼플러스 융합연구개발 과제로 진행되었고, 본 연구과제의 최종 목표인 비침습적으로 뇌자극을 하여 인간의 인지 기능(기억, 억제, 판단 등)을 증진시킨다는 목표를 달성하기 위해서, 연구 논문 뿐 아니라, 관련 기술의 미국 특허 등록을 비롯한 기술 개발 부분에서도 성과를 내고 있다.
(그림1) A. 뇌자극 전극 위치: 자극 전극 (F3: 빨강), 리턴 전극 (Fp1, Fz, C3, F7: 파랑). B. 교차 주파수 동조형 (cross-frequency coupled) 뇌자극 신호. C. 뇌자극 시뮬레이션 그림 및 해당 지역의 전기장 크기
(그림2) A. 표준화된 반응 시간 (tACS, 뇌자극 집단; sham, 위약 대조 집단, *, p < 0.001). B. 저주파 뇌파(델타파)의 뇌지역간 연결성 분석 결과. C. 알파파 뇌파의 뇌 영역간 유의한 활동성 결과
