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fNIRS를 이용한 뉴로피드백(neurofeedback)의 계측과 fMRI와의 상관 비교연구 사례

뉴로피드백(neurofeedback)의 계측사례
fNIRS와 EEG의 동시계측에 의한 혈류변동과 뇌파의 상관관계 평가
요점
① 자신에 대한 피드백을 통해 명상상태를 유지한 상태에서, 집중력과 기억력의 향상에 관련한 뇌파 세타파의 검출 뇌부위와 혈류의 상승부위에는 상관관계가 확인되었다.
② 혈류상승은 의식적으로 명상에 들어간 순간이 가장 크고, 좌상중 전두회(left superior-middle frontal gyrus)가 유의적으로 반응하였다.
계측부위
• LABNIRS; 48채널 ((1)~(4))
• EEG (Bio Semi); 64채널 (whole head)
• Jedi Force Trainer; 1채널 ((5))
수행과제
피실험자는 레벨에 따른 높이에 단계적으로 공을 띄우는 것에 집중하여, 지속적으로 20초 동안 높이를 유지하는 것을 15회 반복하였다.
결과
뉴로피드백 장치 『Jedi Force Trainer』는 명상상태에서 유도하는 뇌파를 검출하고, 공이 튜브 안 원하는 높이로 부양되도록 함으로써 피실험자의 명상상태를 피드백하는 것이 가능하다. 볼이 기준높이로부터 상승하는 순간을 데이터수집의 시발점으로, 정중 전두엽 영역 (Fz 위치)에서 뇌파 세타파 (4-7Hz)와 fNIRS에 의한 산소화 헤모글로빈(Oxy-Hb) 변화의 과제평균화 결과를 Fig. 1에 나타내었다. 과제 개시 후 세타파 활성과 산소화 헤모글로빈은 각각 0.5초와 5초 후에 최고치를 나타내었다.

Figure1. Theta waves and Oxy-Hb changes directly over the middle frontal region


실험 전반에 걸쳐 활성화된 세타파의 강도와 산소화 헤모글로빈의 분포를 뇌화상 위에 나타낸다.뇌파와 뇌혈류의 반응부위에 상관관계가 있음을 알 수 있다 (Fig. 2). 더욱이 볼의 상승폭이 최대가 되는 순간에 산소화 헤모글로빈은 좌상중 전두회가 유의하게 변화하였다 (Fig. 3). 이러한 EEG 및 fNIRS 결과로부터 자의적인 의사의 집중은 의식적으로 전두엽의 활성화를 촉진하는 것이 가능하여, 뇌파와 산소화 헤모글로빈의 반응부위는 상관하는 것을 알 수 있었다. 따라서 fNIRS는 뉴로피드백과 관련한 신경 기능을 해명하는 유용한 도구로 사료된다.

Figure 2. Maps of average theta wave activity and cerebral blood flow


Figure 3. Oxy-Hb distribution during a focused state of meditative consciousness

참고자료
Xian Zhang, Adam Noah, Shaul Yahil, Yumie Ono, and Joy Hirsch (2014) Neural mechanism for neural feedback based on EEG using functional nearinfrared spectroscopy (fNIRS). Society or Neuroscience 2014, Abstract Control Number:6048, Presentation Number:648.03.

fMRI와의 상관 비교연구 사례
전신운동 과제 중 계측한 fMRI-fNIRS 결과의 국소적인 상관관계 평가
요점
① 전신운동 중 상중 측두회(superior-middle temporal gyrus)의 뇌활동에 fMRI와 상관하는 fNIRS데이터가 확인되었다. ② fMRI에서 유의하게 활성화되지 않는 영역은 fNIRS에 있어서도 활성영역과는 다른 헤모글로빈변화가 관찰되었다
계측부위
상중 측두회를 포함하는 3×5배치 (22채널)를 fNIRS 계측부위로 지정하였다.

수행과제
30초간의 댄스게임을 5회 반복하였다. fNIRS는 전신운동을 통합한 반면, fMRI는 발목운동의 동작만 수행하였다.
결과
fNIRS계측을 위한 타겟부위의 산출 선행연구로부터 상중 측두회를 계측부위로 설정하기 위해, 미리 3D 디지타이저로 파이버 배치를 기록 후 NIRS-SPM의 표준 뇌에 기초하여 타겟부위를 산출하였다. 그 결과 Ch22가 타겟부위로서 명확히 결정되었다 (Fig. 1).

Figure 1 fNIRS measurnement results and channel region. The red and blue lines respectively denote presence or absence of music during the game. And the solid and wavy lines respectively denote Oxygenated hemoglobin and Deoxygenated hemoglobin.


∙ fNIRS와 fMRI 데이터 간의 상관관계 상중 측두회의 일부는 전신운동에 수반되는 아티팩트(artifact)의 영향을 받기 어려운 부위인 것이 선행연구로부터 시사되고 있다. 피실험자 1명의 과제수행 평균결과(Fig. 1)로부터 Ch22는 fMRI (Fig. 2)에서 볼 수 있는 활성화 부위와 일치하여, 산소화 헤모글로빈(Oxy-Hb)의 상승과 탈산소화 헤모글로빈(Deoxy-Hb) 의 감소하는 뇌활성 특이적인 패턴을 나타내었다. 한편, 참조로 계측한 Ch1은 fMRI에서도 활성화되지 않았고, Ch22에서 보인 활성화와 다른 fNIRS 파형패턴을 나타내었다 (그림 1). 16명의 fMRI 계측군과 26명의 fNIRS 계측군에서 타겟부위의 BOLD신호 및 산소화 헤모글로빈 변화량의 평균을 Fig. 3에 나타내었다. 과제수행 및 휴식 기간 중의 회귀계수는 0.78로, 상중 측두회에 있어서 양쪽의 계측법은 높은 상관관계를 나타내었다. fMRI는 계측 중의 두부가 고정되어 있어야 하지만, fNIRS의 계측은 계측 중의 움직임에 강한 이점이 있습니다. 움직임에 대하여 아티팩트(artifact)의 영향을 받기 힘든 부위에 착목한 fNIRS계측은 fMRI로 계측할 수 없는 신경 장애, 말기단계 치매 및 전자기 과민성을 연구하는데 유효한 수단임을 시사합니다.

Figure 2 fMRI measurement results The dotted oval encompasses the region of increased BOLD signal.

Figure 3 Correlation between the average relative amplitude values from the fMRI group (n=16) and the fNRIS group (n=26)

참고자료: Noah,j.a., Ono, y., Y., Shimada, S., Tashibana, A., Zhang, X., et al. (2015)
fMRI Validation of fNIRS Measurements During a Naturalistic Task. J. Vis. Exp. (100) e52116

이상의 본 데이터는 광범위한 연구용도에 대응한 하기의 권장 시스템을 사용하여 얻어졌습니다.
계측영역의 범위가 제한적이지만 소형에 포터블 타입의 시스템도 새로이 출시되었습니다.