차동열 감각에 대한 집중주의 제안 중 동시 fMRI/EEG 데이터 수집 방법

안녕하세요, 저는 UCLA Semi Institute의 박사후 연구원이자 공인 최면술사인 Pamela Douglas입니다. 다음 발표에서는 EEG-fMRI 데이터를 동시에 수집하는 방법과 차등 온도 측정을 위한 MR 호환 장치를 시연하겠습니다. 저희는 여기서 '차가운 장갑 실험'이라고 지칭하는 독특한 패러다임을 사용하여 이 방법을 제시하며, 최면 유도 전후의 데이터를 모두 기록합니다.

먼저 피험자가 MRI 호환 헤드폰을 통해 자신의 왼손이 점점 차가워진다고 상상하도록 지시하는 오디오 테이프(소위 cold glove 패러다임)를 듣는 동안 동시 E-E-G-F-M-R-I 데이터와 손 온도 측정값을 수집합니다. 그 후 최면 유도 중에 단일 모달리티 EEG 데이터를 기록합니다. 최면 유도 이후에 다시 한번 동시 E-E-G-F-M-R-I cold glove 데이터를 기록하며, 실험 전 과정 동안 MR 호환 차동 온도계 장치를 사용하여 손 온도 측정값을 기록합니다.

궁극적으로, 당사의 EEG-fMRI 데이터 수집 방법은 비침습적으로 높은 시간 및 공간 해상도를 가진 다중 모드 데이터를 제공함으로써 다양한 실험 패러다임에서 유용하게 활용될 수 있을 것입니다. 특히, 뇌 신호 처리의 비정상성(non-stationary) 특성으로 인해 동시 기록 방식은 순차적 데이터 수집보다 매우 유리합니다. 안녕하세요, 저는 UCLA Semel 신경과학 및 인간 행동 연구소의 Staglin 인지 신경과학 센터 기술 이사인 Mark Cohen입니다.

본 영상에서는 최면 상태에서 정량적으로 변화하는 뇌전도(ELECTROENCEPHALOGRAPHIC) 또는 EEG 데이터, 기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance images) 및 손 온도를 동시에 기록하는 방법을 시연하겠습니다. 당사는 이러한 측정을 위해 전문 기술을 개발 및 활용하였으며, 실험 프로토콜에 맞게 특별히 설계된 최면 유도 절차를 결합하였습니다. EEG와 fMRI의 동시 수집은 각 장치가 서로에게 아티팩트(artifact)를 생성하기 때문에 특히 어렵습니다.

MRI가 EEG에 미치는 영향은 특히 까다로운데, 영상 시스템의 RF 부분이 수백 볼트에 달하는 신호를 사용하는 반면, 경사자장은 초당 45 Tesla 이상의 시변 자기장을 가하기 때문입니다. 동시에 두피에서 측정되는 아주 작은 EEG 신호는 단 몇 마이크로볼트에 불과합니다. MRI 내에서 온도를 측정하는 것조차 장애물이 존재합니다.

전자 장치를 통해 흐르는 기생 무선 주파수 전류는 사전적인 안전 우려 사항이며, 디지털 온도 기록 장치에서 발생하는 저준위 방출물은 MR 영상을 오염시킬 수 있습니다. EEG 증폭기는 영상 자석과 매우 가까운 거리에서 작동하도록 electrical geodesics에서 특별히 설계되었습니다. AMP의 거의 모든 강자성 부품이 제거되었으며, 이후 자기장 차폐 격리 시스템 또는 고정 장치 내에 밀폐되었습니다.

동일 회사에서 제작한 표준 EEG AMP와 크기를 비교하여 고정 인클로저의 크기를 가늠할 수 있습니다. 각 EEG 입력단은 배터리 전원 앰프에 무선 주파수 에너지가 결합되는 것을 방지하기 위해 전기적으로 필터링되었습니다. EEG와 FMRI를 동시에 수집하려면 두 기기의 타이밍이 나노초 정밀도로 일치해야 합니다.

하지만 차폐 상태를 유지하기 위해 유선 전기 신호가 스캔실 내부로 들어오거나 외부로 나가서는 안 됩니다. 이를 보장하기 위해 Electrical Geodesics의 엔지니어들은 타이밍 신호와 디지털화된 데이터가 해당 포트를 통해 광섬유로 전송되도록 동시 E-E-G-F-M-R-I 시스템을 구축하였습니다. 최면 유도는 최면 치료사의 짧은 인터뷰와 함께 시작됩니다.

그 다음, 팔 들어올리기 기법(arm raising technique)으로 알려진 관념운동 암시를 사용하여 최면 유도 과정을 진행합니다. EEG 데이터는 256 채널 MRI 호환 GEODESIC 센서 넷을 사용하여 기록합니다. 실험 전반에 걸쳐 약 20분 간격으로 전극의 임피던스 수준을 모니터링해야 합니다.

그 다음, Stanford 최면 감수성 척도(form C)의 12개 항목을 통해 최면 감수성을 평가합니다. 피험자는 이후 동시 E-E-G-F-M-R-I 데이터 수집을 위해 MRI 스캔실로 들어갑니다. 최면 유도 후, 최면 냉각 장갑 암시(hypnotic cold glove suggestion)에 따른 동시 E-E-G-F-M-R-I 측정 중에 손의 온도 차이를 측정하기 위한 장치를 개발하였습니다. 이 장치는 앰플리파이어와 디지털 디스플레이에 연결된 두 개의 L 34 온도 센서로 구성됩니다.

두 개의 9V 배터리가 내부 전자 장치에 전원을 공급합니다. 생리학적 범위 내에서 선형적인 온도 응답 특성을 보이는 LN 34 센서를 선택하였습니다. 구성 요소의 모든 비선형성을 해결하기 위해 보정 단계를 수행하였습니다.

실험 직전에 두 온도 센서를 수조에 담가 장치의 영점을 결정하였습니다. 실험 중에 영점에서 벗어난 모든 수치는 피험자 양손의 온도 차이를 나타냈습니다. 이렇게 기록된 온도 차이를 통해 차가운 장갑 암시의 효과를 정량화할 수 있었으며, 피험자에게는 "손가락 끝부터 손가락, 손, 손목까지 완전히 잠겨 있는 것을 시각화하고 상상해 보십시오"라고 안내하였습니다.

왼손이 얼음물에 완전히 잠겨 있다고 가정합니다. 계속해서 시각화하면서, 왼손이 완전히 차갑고 감각이 없으며, 무감각하고 차가워져 손에 아무런 감각이 느껴지지 않는 놀라운 기분을 상상하고 만들어내십시오. 손의 감각을 더 느끼려 노력할수록 감각은 더 사라질 것이며, 오른손은 계속해서 따뜻해질 것입니다.

왼손이 계속해서 얼음처럼 차가워지면서, 마치 손이 파랗게 변하는 것과 같은 상태가 됩니다. 실제로 그런 현상이 일어날 수 있다고 믿기 어려울 수 있지만, 손끝에서 손가락, 그리고 손목으로 이어지며 실제로 발생하고 있습니다. 본 연구에서는 평소에는 보이지 않는 인지 과정의 전기생리학적, 운동적, 신경혈관적 연관성을 밝히기 위해 다중 모드 기록 방법을 제시하였습니다.

기존의 fMRI 또는 EEG 수집 및 분리 방식과 달리, 256채널 초고밀도 EEG와 결합한 통합 방법은 두 뇌 신호 간의 연관성을 드러낼 수 있습니다. 이를 통해 신호를 공동 국소화하고, 자기공명 연구에서 혈류 변화 영역으로 나타나는 전기적 신호원(electrical sources)에 대해 합리적인 추론을 도출하는 것이 가능합니다.