1. 소개

환영합니다! 이번 두 번째 튜토리얼에서는 자극에 대한 뇌 반응을 표시하는 방법을 배워보겠습니다.

다음 내용을 배웁니다:

• 사건 관련 전위(ERP)란 무엇인가?

• ERP 피크와 구성요소는 무엇인가?

• ERP를 얻기 위한 일반적인 단계

• Emotiv EPOC 장치와 소프트웨어를 사용한 실습

  
  
  

2. 사건 관련 전위(ERP)란 무엇인가?

사건 관련 전위(ERP)는 유발 전위라고도 하며, 사건이나 자극(예: 큰 톤을 듣는 것)에 대한 뇌 반응입니다. 구체적으로 말하면, 감각적 또는 인지적 사건의 결과로 EEG에서 보이는 전압 진폭 변화입니다.

우리는 자극의 시작 이후에 발생하는 안정적인 피크인 ‘ERP 구성요소’를 관찰할 수 있습니다. ERP는 많은 양의 양성 또는 음성 피크를 가질 수 있지만, N100이나 P300 구성요소처럼 잘 정의된 ERP 구성요소인 것은 아닙니다.

시간 영역에서 EEG를 볼 때 축의 방향을 확인하는 것을 기억하세요. 특히 임상 EEG에서는 축의 위쪽에 –가 있고 아래쪽에 +가 표시되는 것을 볼 수 있습니다.

참고: ERP는 단일 사건으로 표현될 수도 있고, 해당 사건의 여러 시행에 걸친 진폭을 평균하여 표현될 수도 있습니다. 일반적으로 이미지처럼 뚜렷한 구성요소를 가진 매끄러운 ERP는 수백 번의 시행을 평균해야만 얻을 수 있습니다.

그림 1 – 전형적인 청각 ERP 구성요소

전형적인 구성요소는 극성, 즉 양성(P) 또는 음성(N)으로, 그리고 언제 발생하는지(예: 첫 번째 음성 구성요소 N1)로 특징지어집니다. 같은 N1 구성요소는 발생 시점(예: 톤 시작 후 100ms)으로도 식별할 수 있습니다. – N100

3. ERP를 얻는 단계

실험 단계:

우리는 관심 있는 특정 ERP를 얻기 위해 실험을 설계합니다.

예를 들어, 참가자가 오디오 톤을 듣는 동안 EEG를 수집할 수 있습니다.

EEG 데이터를 이해하려면, 참가자가 톤을 들은 시점을 EEG에 표시해야 합니다. 이를 이벤트 마커라고 합니다(그림 2의 세로 빨간 선).

그림 2 – 원시 EEG에 표시된 이벤트 마커(빨간 선)

이벤트 마커의 타이밍을 톤의 시작과 정확하게 맞추는 것은 ERP를 보기 위해 매우 중요합니다! 따라서 정확한 타임스탬프를 얻을 수 있도록 적절한 하드웨어와 소프트웨어를 선택하는 것이 중요합니다.

참조 선택

전기적 활동은 항상 두 지점 사이에서 측정된다는 점을 기억하세요. EEG 장치에서는 각 센서의 전기적 전위가 기준 센서(DRL + CMS)에 대해 측정됩니다.

Emotiv EPOC 장치에는 기준 센서를 위한 두 가지 옵션이 있습니다.

그림 3 – Emotiv EPOC 유형 장치의 기준 옵션

EPOC 유형 헤드셋에는 두 가지 기준 설정 옵션이 있습니다:

• 유양돌기 기준 – 유양돌기를 기준 센서로 사용하려면 P3/P4 센서에 고무 마개를 끼우고 유양돌기 센서에 젖은 펠트를 장착합니다.

• P3/P4 기준 – P3/P4를 기준 센서로 사용하려면 M1/M2 유양돌기 센서에 고무 마개를 끼우고 P3/P4 센서에 젖은 펠트를 장착합니다.

ERP 실험에서는 보통 유양돌기 기준을 사용하는 것이 일반적이지만, 나중에 데이터 분석 전에 전처리할 때 데이터를 온라인으로 다시 기준화할 수 있으므로 P3/P4 기준도 사용할 수 있습니다. 데이터를 분석하기 전에 모든 센서의 평균으로 다시 기준화하는 것이 일반적입니다.

이번 실험에서는 유양돌기 기준을 사용해 데이터를 수집할 것입니다. 여기서 일반적으로 좋은 가정은 유양돌기 돌기가 머리의 다른 위치들만큼 EEG 데이터를 많이 전도하지 않을 것이라는 점이므로, 좋은 기준점이 된다는 것입니다.

전처리:

원시 EEG에서는 ERP를 즉시 볼 수 없습니다. 왜냐하면 이것은 뇌와 그 주변에서 일어나는 다른 모든 것(~ ±40uV)에 비해 매우 작은 효과(~ ±5uV)이기 때문입니다!

따라서 톤에 특이적인 뇌 효과를 보기 위해서는 잡음이나 아티팩트를 제거하도록 데이터를 정리해야 합니다. 그런 다음 데이터를 ‘에포크(epoch)’ 처리합니다. 이는 우리가 정의한 시간 창으로 뇌 반응을 잘라내는 데 사용하는 용어입니다(예: 톤 50ms 전부터 시작하여 톤 후 400ms까지의 뇌 반응). 그런 다음 각기 분리된 에포크 EEG 데이터(즉, 모든 톤에 대한 뇌 반응)를 평균하여 뚜렷한 ERP를 얻습니다.

아래는 전형적인 ERP 파이프라인의 기본 단계입니다. 연구자는 자신의 데이터와 목표에 따라 단계를 선택합니다.

그림 4 – 전형적인 ERP 처리 파이프라인

4. 우리만의 ERP를 얻어봅시다

먼저 소프트웨어를 설정해 봅시다

1. PsychoPy 최신 버전을 다운로드하세요 – https://www.psychopy.org/ 참가자에게 톤을 제시하는 데 PsychoPy를 사용할 것입니다.

2. EEG를 기록하고 보기 위해 Emotiv Launcher와 EmotivPRO 앱을 받으세요.

3. PsychoPy를 Emotiv 소프트웨어와 연결하여 서로 통신할 수 있게 하세요.

비디오의 단계를 따라 하세요:

PsychoPy로 Emotiv EEG 실험 만들기

매끄러운 ERP는 어떤 자극이든 여러 번 반복하여 얻을 수 있습니다(예: 이미지, 톤). 여기서는 동일한 50ms 톤을 4초마다 약 150회 참가자에게 제시할 것입니다!

단일 톤을 사용하는 간단한 청각 실험을 만드는 방법은 비디오를 따라 해 보세요:

데이터를 얻어봅시다

이제 기준을 선택했으니, 헤드셋을 어떻게 설정해야 가장 좋은 품질의 EEG를 얻을 수 있는지 배우기 위해 비디오를 시청할 수 있습니다:

EmotivPRO Analyzer를 사용한 ERP 파이프라인

비디오를 시청하고 단계를 따라 자신만의 ERP를 생성하세요:

Analyzer의 ERP 출력 이해하기

각 채널마다 평균 파형이 보일 것입니다. 100ms에서 음의 피크를 가진 전형적인 매끄러운 ERP는 아래에서 볼 수 있습니다. 실선은 평균 진폭을 나타내고, 더 옅은 음영은 평균의 표준오차를 나타냅니다:

여기에는 뚜렷한 ERP 구성요소가 없는 잡음이 많은 파형이 있습니다. 이는 시행 횟수가 적을 때 발생할 수 있습니다:

고려할 점

참가자 간 ERP를 비교할 때는 일반적으로 차이 효과를 비교하는 것이 더 좋습니다.

예를 들어, 더 자주 발생하는 톤(표준)과 패턴에서 덜 자주 발생하는 톤(편이/이상항목)에 대한 평균 ERP를 비교할 수 있습니다. 그런 다음 한 파형의 진폭에서 다른 파형의 진폭을 단순히 빼서 차이 파형을 얻을 수 있습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, ERP 연구에서 흔히 연구되는 Mismatch Negativity(MMN)라고 알려진 ERP 구성요소를 관찰할 수 있습니다.

그림 5 – 환경의 패턴이 위반될 때 ERP에서 불일치 음성 반응 구성요소를 관찰할 수 있습니다

5. ERP의 응용

바이오마커 식별 :

ERP의 가장 일반적인 응용 중 하나는 조현병과 같은 정신 질환을 진단하는 더 나은 방법을 찾기 위한 임상 연구입니다. 조현병을 앓고 있는 사람들은 Mismatch Negativity 반응을 바탕으로 건강한 대조군과 구분될 수 있습니다.

그림 6 – 불일치 음성 반응 진폭은 만성 조현병, 최근 발병 사례, 그리고 이 장애를 발병할 위험이 있는 사람들보다 유의하게 더 높습니다(Jashan 2012)

ERP – BCI(뇌-컴퓨터 인터페이스)

다른 정신 명령이나 시각 자극(예: 키보드의 문자)에 대한 ERP는 휠체어를 움직이거나 BCI 스펠러를 구동하는 데 사용할 수 있습니다.

6. 자료

Emotiv 매뉴얼

1. EmotivPRO 빌더 매뉴얼

2. EmotivPRO 매뉴얼

3. EmotivPRO Analyzer 매뉴얼

추천 읽을거리

Luck, S.J., 2005. ERP 실험을 설계하고 해석하기 위한 열 가지 간단한 규칙. Event-related potentials: A methods handbook, 4.