퍼온곳 : 전자신문 etnews(17. 3.31)

세타파와 공명하는 자기 자극으로 청각기억 높여

소리의 패턴을 기억하는 능력, 그리고 소리들을 우리 두뇌와 마음에 새기는 능력은 일상생활에 매우 중요하다. 청력이 없으면 우리는 문장을 이해할 수도 없으며 간단한 셈도 풀 수 없다. 캐나다 맥길대(McGill University)의 과학자들이 소리 기억이 어떻게 작동하는지, 소리 기억을 향상시키는 방법이 무엇인지를 밝혀냈다.

자석으로 이루어진 경두개 자기자극(TMS, Transcranial Magnetic Stimulation)을 이용해 세타파(theta waves, θ waves)와 공명하는 자극을 주면 청각기억이 향상된다는 사실을 발견했다. 이 연구는 3월 23일 셀(Cell)의 자매지이자 신경과학 분야 최고 권위지인 '뉴런 (Neuron)'에 <두뇌 배후흐름에서의 공명하는 선택적 세타파는 청각작동기억을 향상(Selective Entrainment of Theta Oscillations in the Dorsal Stream Causally Enhances Auditory Working Memory Performance)>이라는 논문을 발표했다(Albouy et al., Neuron, 23 Mar 2017).

▲ 과학자들은 17명에게 청각기억 과제(auditory memory tasks)를 주었다. 청각기억 과제는 소리를 들려주고 지연시켰다 다시 들려주었을 때 소리들의 하나의 패턴을 인식하도록 요구한 것이다. 그리고 이 과제를 수행하는 동안 자기뇌파장치(뇌자기도, 뇌자도, Magnetoencephalography, MEG)와 뇌파기록장치(Electroencephalography, EEG)로 기록했다. Credit: Philippe Albouy

과학자들은 이전에 두뇌의 신경망 중 배후흐름 혹은 배측경로(the dorsal stream)라 불리는 부분이 청각기억을 담당한다는 사실을 알아냈다. 그리고 배후흐름 안쪽은 세타파(theta waves)라 불리는 리듬의 전기진동들 혹은 파동들(rhythmic electrical pulses)이 있다는 것을 알아냈지만, 청각 기억에서 세타파의 역할이 무엇인지는 최근까지 완전 비밀에 가려져 왔다.

참고: 인지과학 중 시각 경로와 뉴런을 살펴보면, 시각 피질에서 받아들인 신경정보는 복측경로 (Ventral stream) 와 배측경로 (Dorsal stream)를 통해 처리된다. 두정엽을 향하는 배측경로는 물체의 움직임을 쫓는 '어디 (where)' 경로다. 배측경로가 원하는 정보와 주변 환경 사이의 관계를 처리한다면 측두엽으로 가는 복측경로에서는 시각이 무엇을 봤는지를 알아낸다. 즉, 특정 객체를 인식하거나 얼굴을 구별하는 일은 모두 복측경로를 통해 일어난다. – 더블린아일랜드 국립대학교(University College Dublin) Fred Cummins 교수의 인지과학 개론 강의(Introduction to Cognitive Science) 중에서 참고 –

그래서 맥길대 과학자들은 세타파와 청각기억의 상관관계와 어떻게 청각 기억이 향상되는지를 정확히 알기 위해, 17명에게 청각기억 과제(auditory memory tasks)를 주었다. 청각기억 과제는 소리를 들려주고 지연시켰다 다시 들려주었을 때 소리들의 하나의 패턴을 인식하도록 요구한 것이다. 그리고 17명이 이 과제를 수행하는 동안 그리고 자기뇌파장치(Magnetoencephalography, MEG)와 뇌파기록장치(Electroencephalography, EEG)로 기록했다. 그 결과 MEG와 EEG는 배후흐름에서 두뇌가 발생시킨 세타파의 주파수들이 기록됐고, 세타파는 두뇌에서 나온다는 사실도 확인했다.

▲ Credit: Neuron

그 다음 MEG와 EEG의 주파수 데이터를 이용해, 과학자들은 경두개자기자극(TMS)으로 똑같은 주파수를 만들어, 즉 공명하는 주파수를 과제를 수행하는 17명에게 쏘아주었다. 그 결과 세타파가 강화되어 청각의 수행능력이 향상된다는 것을 밝혀낸 것이다. 반면 공명하지 않는 주파수를 쏘아주자 아무런 효과가 없었다. 따라서 이것은 그저 TMS의 적용이 아니라 세타파와 같은 주파수, 즉 공명하는 주파수로 자극하면 청각 수행능력이 증진된다는 것을 의미하는 것이다.

공동저자인 실바인 배일렛(Sylvain Baillet)은 “오랫동안 세타파의 역할이 무엇인지 분명하지 않았다. 우리는 지금 두뇌 기능에서 일상적 역할을 하는 자연적인 메커니즘을 보다 많이 알게 되었다. 이번 연구를 위해 우리는 MEG/EEG와 TMS를 상보적인 기술들로 이용해 뉴로(Neuro) 관점에서 강점을 구축했다”라고 말했다.

필리페 알부이(Philippe Albouy) 제1저자이며 교신저자는 “이번 연구의 가장 큰 업적은 매우 자세한 표적에 그리고 다양한 영역에 응용할 수 있다는 것”이라며, “두뇌 스스로 생성된 주파수와 같은 공명자극을 외부에서 받으면, 우리는 인간의 능력이 향상될 수 있다는 사실을 안 것이다. 더욱 흥미로운 것은, 이번 연구는 청각기억에 한정 했지만, 똑 같은 방법으로 접근한다면 시각, 인지, 학습의 능력도 향상될 것” 이라고 말했다.

뇌파는 뇌의 상태에 따라 바뀐다cha1▲자료: 차원용, 매트릭스 비즈니스, 굿모닝미디어, 2006. 2부 8장 5절 (뇌파와 뇌파란?), 페이지 246. (Colgin et al., Nature, 2009)

▲자료: 차원용, 매트릭스 비즈니스, 굿모닝미디어, 2006. 2부 8장 5절 (뇌파와 뇌파란?), 페이지 246. (Colgin et al., Nature, 2009)

TMS의 성공적인 데모는 다른 임상시험에서도 두뇌의 수행능력을 향상시키는 데에도 사용될 수 가 있다. 어느 날인가 이와 같은 두뇌 자극은 잃어버린 기억을 되찾을 수도 있다. 그러면 퇴행성 신경질환(neurodegenerative diseases)인 알츠하이머병(Alzheimer's)도 고칠 수가 있을 것이다.

원래 세타파는 우리가 밤에 잠을 잘 때 꿈을 꾸게 해주는 렘수면파(Rapid Eye Movement sleep wave)다. 렘수면파에 공명하는 자기자극을 주면 꿈을 잘 꾸게 해준다. 반면 우리가 낮에 집중하고 있을 때는 베타파가 나온다. 그러나 이번 연구는 낮에 베타파 이외에도 세타파도 나온다는 것으로, 세타파는 청각을 담당하고 있다는 것을 밝혀낸 것이다. 

따라서 뇌파들은 두뇌의 상태뿐만이 아니라 시각, 청각, 촉각, 후각, 미각에도 관여하고 있다는 것으로 보아야 할 것이다. 분명 세타파는 청각뿐만 아니라 시각에도 영향을 줄 것으로 필자는 예측하는 것이다. 왜냐하면 청각은 시각이 지배하고 있다는 것이 2013년에 밝혀졌기 때문이다(Smith et al., PLoS ONE, 4 Sep 2013). 결국 다양한 연구가 진행되어야 그 해답을 알 수 있을 것이다. [정리 김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]
 

차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, 국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장

TMS의 성공적인 데모는 다른 임상시험에서도 두뇌의 수행능력을 향상시키는 데에도 사용될 수 가 있다. 어느 날인가 이와 같은 두뇌 자극은 잃어버린 기억을 되찾을 수도 있다. 그러면 퇴행성 신경질환(neurodegenerative diseases)인 알츠하이머병(Alzheimer's)도 고칠 수가 있을 것이다.

원래 세타파는 우리가 밤에 잠을 잘 때 꿈을 꾸게 해주는 렘수면파(Rapid Eye Movement sleep wave)다. 렘수면파에 공명하는 자기자극을 주면 꿈을 잘 꾸게 해준다. 반면 우리가 낮에 집중하고 있을 때는 베타파가 나온다. 그러나 이번 연구는 낮에 베타파 이외에도 세타파도 나온다는 것으로, 세타파는 청각을 담당하고 있다는 것을 밝혀낸 것이다.

따라서 뇌파들은 두뇌의 상태뿐만이 아니라 시각, 청각, 촉각, 후각, 미각에도 관여하고 있다는 것으로 보아야 할 것이다. 분명 세타파는 청각뿐만 아니라 시각에도 영향을 줄 것으로 필자는 예측하는 것이다. 왜냐하면 청각은 시각이 지배하고 있다는 것이 2013년에 밝혀졌기 때문이다(Smith et al., PLoS ONE, 4 Sep 2013). 결국 다양한 연구가 진행되어야 그 해답을 알 수 있을 것이다.

[정리 김들풀 기자 itnews@itnews.or.kr]

차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, 국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장

2017년 3월 31일