물질자극, EEG 알파파와 세타파가 인지 및 기억 수행에 미치는 영향

논문제목 : EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance

EEG 알파파와 세타파가 인지 및 기억 수행에 미치는 영향

EEG 알파파(8-12 Hz)와 세타파(4-8 Hz) 진동은 인지 기능과 기억 수행 능력을 반영하는 중요한 신경 지표로, 다양한 연구를 통해 그 복합적이고 역동적인 관계가 밝혀지고 있다. 기존 연구들은 이러한 뇌파 진동이 단순히 기억 수행과 선형적인 관계를 갖지 않으며, 휴식 상태와 과제 수행 중에 상반된 패턴을 보인다는 흥미로운 발견을 제시하고 있다.

알파파와 세타파의 기본 특성과 이중 분리 현상

알파파와 세타파는 인지 및 기억 수행과 관련하여 두 가지 주요한 현상을 보인다. 첫째, 긴장성 변화(tonic change)에서는 좋은 수행이 알파파 파워의 증가와 세타파 파워의 감소와 관련되어 있다1. 둘째, 상위성 변화(phasic change)에서는 알파파의 큰 감소(탈동기화)와 세타파의 증가(동기화)가 기억 요구에 따라 나타난다1. 이러한 이중 분리 현상은 알파파 주파수가 개인차와 연령, 기억 수행과 밀접한 관련이 있기 때문에 고정된 주파수 대역보다는 개인별 알파 주파수를 기준점으로 하는 조정된 분석이 필요함을 시사한다1.

알파파 파워는 유아기부터 성인기까지 뇌 용적과 유사하게 증가하지만, 생애 후반부에는 반대의 패턴을 보인다1. 다양한 신경학적 장애를 가진 환자들에서는 알파파 파워가 감소하고 세타파 파워가 증가하는 특징이 관찰된다1. 또한 지속적인 각성 상태나 각성에서 수면으로의 전환 시점에서 외부 자극에 대한 반응 능력이 중단될 때, 상위 알파파 파워는 감소하고 세타파는 증가한다1.

작업기억과 장기기억에서의 역할

알파파와 세타파는 작업기억 유지와 장기기억 부호화 과정에서 서로 다른 기능을 수행한다. 연구에 따르면, 작업기억 유지 동안 더 강한 알파파 파워는 후두-두정엽 부위에서 나중에 기억될 자극과 관련되어 나타난다2. 마찬가지로 두정-중앙 전극에서 더 강한 세타파 파워도 나중에 성공적으로 기억된 자극과 연관되어 있다2. 이러한 결과는 알파파와 세타파 진동이 성공적인 장기기억 부호화를 조절한다는 관점을 뒷받침한다2.

작업기억 부하가 증가할 때 알파파와 세타파 파워가 모두 증가한다는 기존 발견과, 성공적인 기억 부호화가 작업기억 부하 증가와 유사한 과정을 포함한다는 가정에 따라, 나중에 기억될 자극에 대해서는 알파파와 세타파 파워가 더 높아야 한다는 예측이 확인되었다2. 이는 작업기억 유지가 장기기억 형성을 지원한다는 헵(Hebb)의 이론과 일치하는 결과이다2.

휴식 상태와 과제 수행 중의 상반된 패턴

세타파 활동의 기능적 상관관계는 휴식 상태와 인지 과제 수행 중에 뚜렷하게 다른 패턴을 보인다. 휴식 상태에서 높은 세타파 파워는 아동과 청소년에서 낮은 인지 능력과 연관되어 있으며, 이는 실행 기능, 주의 능력, 언어 기술, 그리고 IQ와 부정적인 상관관계를 보인다3. 반면, 인지 과제 수행 중에는 세타파 파워의 증가가 더 나은 수행과 관련되어 있다3. 이러한 상반된 패턴은 세타파가 맥락에 따라 다른 기능적 의미를 갖는다는 것을 보여준다3.

기억, 주의, 인지 통제 과정에서 세타파 파워가 증가하며, 이러한 과정에서 높은 세타파 파워는 더 나은 수행과 상관관계를 보인다3. 특히 프론탈 영역에서 과제 관련 세타파 효과가 더 특이적으로 나타나는 경향이 있다3. 연구들에 따르면 주의 상태의 변화, 오류 탐지, 인지적/정서적 요구의 조작이 세타파 파워의 변화를 야기할 수 있으며, 프론탈과 두정 영역에 세타 주파수로 전기 자극을 가하는 것이 성인의 실행 기능과 기억 과제 수행을 향상시킨다는 증거도 있다3.

뉴로피드백 훈련의 효과

알파파 뉴로피드백 훈련(NFT)에 대한 메타분석 연구는 건강한 참가자의 작업기억과 일화기억에 긍정적인 효과가 있음을 보여준다6. 16개 연구를 대상으로 한 분석에서 알파파 NFT는 작업기억에 대해 0.56의 효과크기를, 일화기억에 대해 0.77의 효과크기를 나타냈다6. 특히 10명 이상의 큰 표본 크기에서 알파파 NFT가 작업기억과 일화기억 모두에서 유의한 전체 효과를 보였다6.

젊은 성인에서 알파파 NFT는 작업기억에 유의한 효과를 보였고, 일화기억에는 한계적 유의성을 나타냈다6. 고령자 참가자를 대상으로 한 두 연구에서는 4회 세션의 NFT로 일화기억에서, 8회 세션의 NFT로 작업기억에서 유의한 개선을 보이지 않았다6. 이는 고령자가 기억에 대한 NFT 효과를 얻기 위해서는 더 많은 훈련 세션이 필요할 수 있음을 시사한다6.

세타파 뉴로피드백 훈련에 대한 체계적 검토와 메타분석도 건강한 인구에서 기억 기능 향상에 효과적임을 보여준다9. 작업기억에 대해서는 헤지스 g 0.56의 효과크기를, 일화기억에 대해서는 0.62의 효과크기를 나타냈다9. 이러한 결과들은 세타파 NFT가 건강한 참가자의 작업기억과 일화기억 개선을 위한 비약물적/보조적 훈련으로 유용할 수 있음을 시사한다9.

발달 과정에서의 변화

아동과 성인의 작업기억 과제 중 EEG 진동의 발달적 변화에 관한 연구는 중요한 차이점을 보여준다13. 성인은 기억 부하에 따른 유의한 주기적 세타파 증가를 보였지만, 아동에서는 이러한 효과가 나타나지 않았다13. 반면 연령에 관계없이 부하 증가에 따른 유의한 알파파 파워 감소가 관찰되었고, 중국 문자보다 시각적 패턴을 유지할 때 유의한 세타파 파워 증가가 나타났다13.

성인에서는 부하에 따른 알파파 정점 이동(고주파수 방향)이 n-back 과제에서 더 높은 행동 효율성과 연관되었다13. 아동에서는 부하에 따른 높은 세타파 증가가 더 나은 행동 효율성과 연관되었다13. 이러한 발견은 작업기억 유지 동안 부하에 따른 세타파 파워가 아동기에서 성인기로 성숙한다는 것을 시사한다13.

명상과 의식 상태에서의 알파-세타 상호작용

명상 수행 중 알파파와 세타파의 상호작용에 대한 연구는 흥미로운 통찰을 제공한다. 연구에 따르면, 명상 상태에서 정신적 공허감을 달성하는 것은 알파파와 세타파 리듬 간의 2:1 조화 교차주파수 관계의 발생 감소와 관련되어 있다8. 알파파:세타파 2:1 조화 관계의 일시적 발생은 명상 상태에서 활동적인 인지 처리 상태로 선형적으로 증가했다(명상 < 휴식 < 산술 과제)8.

호흡 집중 명상 중 마음 방황 에피소드는 세타파(4-8 Hz) 진동의 진폭 증가와 주파수 감소와 관련되어 있었다11. 반대로 알파파 진동(8-14 Hz)은 마음 방황 시 진폭이 감소하고 주파수가 증가하는 것으로 나타났다11. 또한 마음 방황 에피소드는 알파파와 세타파 리듬 간의 조화성과 위상 동기화 증가를 동반했다11.

결론

알파파와 세타파 진동은 인지와 기억 수행을 반영하는 복합적이고 맥락 의존적인 신경 마커이다. 휴식 상태에서 높은 알파파 파워와 낮은 세타파 파워는 일반적으로 더 나은 인지 능력과 관련되어 있지만, 인지 과제 수행 중에는 과제 특이적인 알파파 탈동기화와 세타파 동기화가 성공적인 수행을 예측한다. 뉴로피드백 훈련을 통해 이러한 뇌파 패턴을 조절하는 것이 기억 기능 향상에 도움이 될 수 있으며, 발달 과정에서 이러한 뇌파-행동 관계는 지속적으로 성숙한다. 향후 연구에서는 개인차를 고려한 맞춤형 주파수 대역 설정과 다양한 인지 영역에서의 알파파-세타파 상호작용 메커니즘에 대한 더 깊은 이해가 필요할 것이다.

1. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/10209231/
2. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3951969/
3. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11214181/
4. https://pdfs.semanticscholar.org/c308/6c3283482afc8097c38834eb7d6b4878e43c.pdf
5. https://e-jnc.org/upload/pdf/jnc-240020.pdf
6. https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7813983/
7. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38823572/
8. https://www.nature.com/articles/s41598-020-62392-2
9. https://www.mdpi.com/1660-4601/19/17/11037
10. https://www.frontiersin.org/journals/human-neuroscience/articles/10.3389/fnhum.2021.621620/full
11. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.10.23.351759v1.full.pdf
12. https://forums.cs.tau.ac.il/~nin/Courses/Seminar14a/EEG_AlphaTheta1999.pdf
13. https://papers.ssrn.com/sol3/papers.cfm?abstract_id=4554332
14. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0165017398000563
15. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301051124000838
16. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165017398000563
17. https://www.nature.com/articles/s41598-022-19158-9
18. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167876022000228

 

알파파 뇌파 훈련기(생성기), 치료기

https://youtu.be/0ZqBJw7elrU?si=c0fLp96KOXhQO_3P

 

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