10월 30일 TELD 디자인 세미나: EEG 전처리 및 분석

인간의 학습 과정을 깊이 이해하려면 무엇을 들여다봐야 할까요? 바로 ‘뇌’입니다.

 EEG(Electroencephalogram)는 뇌전도(뇌에 흐르는 전류)를 측정하는 방법으로, 간단한 착용만으로 비침습적으로 뇌 신호를 수집할 수 있다는 장점 덕분에 학습과 관련된 연구에서 자주 활용되고 있는데요. 학습과학연구소 뇌기반학습센터에서는 지난 9월 BrainProducts사의 EEG 장비를 새로 도입하여 최대 64채널의 정밀한 뇌파 데이터를 수집하고 분석할 준비를 마쳤습니다. 하지만 EEG의 원리나 분석 과정은 아직 생소하게 느껴지실 텐데요. 지난 10월 30일 TELD 세미나에서는 신부경 선생님께서 EEG에 대한 전반적인 설명과 함께 데이터 전처리 및 기초 분석 방법을 소개해 주셨습니다.

EEG는 전극을 통해 뉴런의 활성화를 포착하는 방법입니다. ms 단위로 측정하여 시간 해상도가 높다는 장점이 있지만, 공간 해상도는 낮은 편이라고 해요.

EEG 분석은 크게 두 종류로 나눌 수 있다고 하는데요. 첫 번째는 ERP(event-related potential, 사건관련전위) 분석입니다. ERP 분석은 특정 시점에서의 전위 차이를 확인하는 방식으로, 통제 조건이 매우 중요합니다. 통제 조건의 뇌파로 실험 조건의 뇌파를 뺀 다음, 두 개 실험 조건 간 대조를 하기 때문인데요. 파형이 positive인지 negative인지, 파형의 peak가 어디에(어느 시점에) 나타났는지에 따라 이름을 붙인다고 합니다(e.g. P300, N400). 한편 Time-frequency analysis(시간-주파수 분석)은 특정 시점에 주목하는 게 아니라 일정 시간 동안 주파수의 강도 또는 synchronization이 어떻게 변하는지를 분석하는 방법입니다.

뇌파 중 학습과 연결지어 볼 수 있는 것들에는 어떤 것들이 있을까요? 이 또한 EEG 분석 방법에 따라 나누어 살펴볼 수 있는데요. 먼저 ERP(사건관련전위) 방식으로 수행된 연구 결과들에 따르면, 주의집중과 관련하여 나타나는 뇌파 파형은 P3a, P3b, P300, 언어적 불일치와 관련해서는 P600(문법), N400(의미) 등이 있습니다. 이밖에도 오류나 피드백, 정서와 관련해서도 특정한 파형이 발견된다고 하네요. 시간-주파수 분석 연구에 따르면, 주파수가 30-60Hz인 Gamma wave가 학습·기억과의 관련성이 높다고 합니다.

EEG 연구에서 가장 중요하면서도 고단한 과정이 있다면 무엇일까요? 바로 EEG 전처리 단계라고 하는데요. 신부경 선생님께서는 BrainVision Analyzer를 활용한 전처리 과정과 MATLAB과 EEGLAB을 활용한 전처리 과정을 각각 시연해 주셨습니다. 블로그에 자세한 과정을 모두 글로 옮기기는 어렵지만, 인터페이스가 생각보다 직관적이라 한 단계씩 차근차근 공부하면 따라갈 수 있겠다는 생각이 들었습니다. 이렇게 전처리 시연이 끝난 뒤에는 구체적인 코드 예시와 함께 MATLAB의 Fieldtrip으로 Time-frequency 데이터를 분석하는 방법에 대해서도 설명해주셨습니다.

조영환 교수님께서는 EEG 장비가 연구실 차원에서 구비되어 있다는 점이 연구자로서 큰 기회이자 메리트라는 점을 강조하셨습니다. 다가올 겨울방학에 추가적인 EEG 워크숍이 예정돼 있다고 하니, 뇌기반학습 연구에 매력을 느끼는 분들의 많은 관심 부탁드려요!