기계적 및 전기적 촉각 자극에 대한 피질 반응을 비교하는 표준화된 EEG 프로토콜

요약

이 개념 증명 프로토콜은 이상한 및 이동 패러다임을 사용하여 전기 및 기계적 자극에 의해 유발되는 체성감각 유발 전위를 EEG 기록하는 과정을 상세히 다룹니다.

초록

햅틱 인터페이스에서 현실적인 촉각 피드백의 개발은 전기적 자극과 기계적 자극의 신경 처리 이해에 달려 있습니다. 뇌파검사(EEG)를 이용해 두 가지 모달리티를 직접 비교할 수 있는 프로토콜이 제시되었습니다. 프로토콜은 정밀한 EEG-자극기 동기화 달성, 피험자별 전기 및 기계적 자극 보정, 그리고 초기 사건 관련 전위(ERP)와 불일치 음성(MMN) 요소를 비교하기 위한 이상형 및 이동 패러다임을 구현하는 절차를 상세히 설명합니다. 개념 증명 프로토콜은 각각 다른 실험 조건에 배정된 4명의 건강한 참가자를 대상으로 검증되었으며, 이는 이동 또는 오드볼 패러다임 하에서 오른쪽 검지 끝의 기계적 또는 전기적 자극, 지속 시간(100ms 대 145ms) 조작 방식이었습니다. 추가로, 5^번째 참가자는 100ms에서 모든 자극과 교대로 기법을 사용하는 이동 패러다임을 경험했습니다. 단일 모달 자극 하에서 이동 패러다임은 두 모달리티에서 체성감각 ERP를 감지하는 데 있어 이드볼보다 더 민감했고, 전기 자극에서는 MMN 유사 요소가 식별 가능했습니다. 로빙 패러다임을 이용한 교차 모달 비교 역시 명확한 MMN 유사 성분이 드러났으나, 이는 전기 자극에만 해당된다. 이 결과들은 현재 프로토콜이 신경 활동과 지각을 상관지각하고, 인공적 감각과 자연적 감각의 피질 처리를 직접 비교하는 데 적합함을 보여줍니다. 이 프레임워크는 기계적 촉각과 구별할 수 없는 피질 반응을 유도하는 전기 자극 프로토콜을 개발하는 데 필수적인 단계입니다.

서론

햅틱 기술의 근본적인 도전 과제는 피부-기계 인터페이스를 통해 자연스러운 촉각 감각을 재현하는 것입니다. 이를 위해서는 자연 자극이 유발하는 신경 활동의 정확한 시공간적 패턴을 복제해야 합니다. 기계적 작동기가 물리적 상호작용을 재현할 수 있지만, 기계적 수용체에 대한 표피 전기 자극은 작고 다재다능^{한 대안을} 제시합니다. 하지만 전기 자극은 종종 부자연스럽거나 불쾌한 감각을 유발합니다. 전기적 및 기계적 자극에 대한 신경 반응의 직접적 비교는^{새로운 관심 분야}를 ^{제시하며,} 정교한 전기 프로토콜이 자연스러운 기계적 촉각을 매우 모방하는 피질 반응을 유발할 수 있을까?

뇌파검사(EEG)는 체성감각 자극에 대한 피질 반응을 높은^{시간 해상도로} 포착하여 이 질문을 해결하는 이상적인 도구를 제공합니다. 중요한 지표로는^{자극 특징의} 초기 피질 처리를 반영하는 초기 사건 관련 전위(ERP)와 불일치 음성(MMN) 구성 요소 ^6,7이 포함됩니다. MMN은 일반적으로 이상한 패러다임에서 유도되는 사전 주의 반응(pre-attentionive)의 변화 감지 반응으로, 반복되는 표준 자극의 연속이 드문 일탈 자극⁸에 의해 중단될 때 감각 예측 위반을 알립니다. 이 반응은 감각 구별과 기억의 강력한 전기생리학적 상관관계입니다. 보완적인 접근법으로는 반복되는 자극의 짧은 연속을 제시하여 MMN을 효율적으로 생성하는 이동 패러다임이 있습니다; 새로운 열차의 첫 자극은 그 새로움 때문에 일탈 요소로 작용하며, 고전적 기이한 패러다임⁹보다 더 균형 잡힌 수의 표준과 일탈을 제공한다.

MMN은 청각 및 시각 영역에서 광범위하게 특성화되었으나, 체성감각 하위 양식 간 MMN을 비교하는 표준화된 틀은 존재하지 않습니다. 이전 연구들은 기계적 ^6,7과 전기 자극^10,11,12에 대해 신뢰할 수 있는 MMN 반응을 별도로 확립했습니다. 그러나 시간적으로 정밀하고 지각적으로 일치하는 자극을 이용한 직접적인 피험자 내 비교가 없기 때문에 의미 있는 결론이 나오지 못합니다. 이 방법론적 격차는 인위적으로 유도된 전기 반응이 자연스러운 기계적 촉각과 동일한 사전 주의 변화 감지 메커니즘을 작동하는지 평가하는 능력을 근본적으로 제한합니다.

이 방법론적 한계를 해결하기 위해 전기적 및 기계적 자극의 직접 신경 비교를 가능하게 하는 표준화된 EEG 프로토콜이 개발되었습니다. 현재 방법은 정밀한 EEG-자극기 동기화, 참가자별 전기 보정을 눈에 띄지만 비혐오 수준으로 수행, 표준화된 기계적 자극 적용, 그리고 ERP와 MMN을 다양한 모달리티 간 비교하기 위한 이상형 및 이동 패러다임 구현을 보장합니다.

각 패러다임이 다양한 지속 시간의 기계적 및 전기적 자극에 대해 명확한 ERP와 MMN을 유도하는 능력을 먼저 평가하였다. 이상한 패러다임은 전기 자극에만 식별 가능한 ERP를 생성했으며, 두 가지 방식 모두에서 MMN을 유도하지 못했다. 반면, 이동 패러다임은 두 가지 방식 모두에서 ERP를 성공적으로 유도했으며, 전기 자극에서는 주목할 만한 MMN 유사 성분을 발견했습니다. 이동 패러다임의 민감도를 활용하여, 기계적 및 전기 자극을 교대로 사용하는 직접적인 교차 양측 비교가 수행되었다. 두 치료 모두 명확한 ERP가 관찰되었으나, 명확한 MMN 유사 성분은 전기 자극으로만 유도되었습니다. 이 초기 결과는 조건당 단일 참가자에 기반하지만, 이 표준화된 틀이 자연 기계적 촉각과 구별할 수 없는 피질 반응을 유발할 수 있는 전기 자극 프로토콜 개발을 안내할 잠재력을 보여줍니다.

최근에야 전기적 및 기계적 자극에 대한 MMN 반응이 직접적으로 비교되었으며, 지금까지는 자기뇌파조영(MagnetoEncephalography)만 사용했습니다^12,13. 따라서 제안된 프로토콜은 전기적 및 기계적 자극을 모두 유발하고 동일한 실험 설계 내에서 표준 및 일탈 자극으로 구현된 체성감각 MMN을 기록하기 위한 통합적이고 상세한 EEG 프레임워크를 처음으로 제공한 것입니다. 이 프로토콜의 핵심 새로움은 EEG 준비 자체가 아니라, 자극, 기록, 동기화, 분석을 통합하여 체성감각 처리의 직접적인 교차 모달 비교를 가능하게 하는 종단 간 방법론에 있습니다. EEG 준비 절차는 확립된 모범 사례를 따르며 이전에 발표된 프로토콜을 기반으로 합니다¹⁴. EEG 설정의 일부 측면은 비디오 기반 형식에서도 시연^되었으나, 이러한 접근법은 정밀하게 제어된 전기 및 기계적 촉각 자극과 결합되지 않았으며, MMN 패러다임에도 적용되지 않았습니다. 이러한 요소들을 통합함으로써 본 프로토콜은 기존 방법론을 확장하고, 체성감각 예측과 편차 탐지의 기전적 연구를 위한 전이 가능한 틀을 제공합니다.

프로토콜

현재 실험 프로토콜은 시리우스 대학교 인간 조사 위원회의 윤리 지침에 따라 수행되었습니다(승인일: 2025년 6월 10일). 데이터 수집 전에 각 참가자로부터 서면 동의서를 받습니다. 제외 기준에는 이식된 심장 박동기 또는 기타 전자 기기의 존재, 간질 또는 발작 질환의 병력, 임신 또는 자극 부위의 피부과 질환이 포함되었습니다.

1. 다중 모드 자극 시스템

1. 정밀하게 제어되고 동기화된 체성 감각 자극을 전달할 수 있도록 개발된 맞춤형 멀티모달 자극기를 사용하세요. 이 시스템은 제어 장치와 자극 모듈로 구성되어 있으며, 고충실도 신경생리학 연구를 위해 설계되었습니다.
   참고: 이 연구를 위해 맞춤 제작되었지만, 유사한 실험 요구사항은 미니 셰이커 타입^{4810 6} 과 Digitimer DS7A¹⁶과 같은 상업용 시스템으로도 충족될 수 있습니다.

2. 실험 장치

1. 64채널 능동 EEG 시스템을 사용해 EEG 신호를 기록하세요. 접지 전극을 Fz(10–10 시스템)에 위치시키고, 기준 전극을 코 끝에 놓습니다. 10 kHz에서 샘플링 데이터를 하고 1–40 Hz 밴드패스 IIR 필터를 적용합니다. 자극 및 EEG 시스템을 TTL 트리거를 통해 동기화하며, 트리거 시간은 각 자극 유형별로 개별적으로 설정됩니다(20-100ms, 20ms 단위). MATLAB에서 구현된 맞춤형 스크립트를 사용하여 오프라인 데이터 분석을 수행합니다.
2. 제어 작업을 수행하는데, 이는 피험자의 손이 자극 표면 밖에 있는 상태에서 기계적 자극을 자극기로 보내는 4명의 피험자와 함께 진동 액추에이터에서 발생하는 청각 소음으로 인해 ERP가 발생하지 않도록 하는 것입니다.

3. 뇌파 준비

1. 참가자의 머리 둘레를 측정하고 해부학적 랜드마크(네이시온, 이니온, 좌우 전이음 지점)를 식별합니다. 뇌파 캡 크기를 적절히 선택하세요.
2. 캡을 중심 전극(Cz)이 꼭짓점에 위치하도록 위치시킵니다. Cz에서 나시온, 이니온, 그리고 양쪽 전이음점까지의 거리를 측정하여 대칭성을 확인하여 올바른 정렬을 확인하세요. 국제 10-10 전극 배치 시스템을 사용하세요.
3. 제조사 사양에 따라 모든 전극 선을 EEG 증폭기에 연결하세요.
4. 각 전극 부위는 머리카락을 가르고 피부를 부드럽게 연마 젤로 문지르며 알코올로 세척하여 준비하세요. 각 전극 공동에 전도성 젤을 채우세요. 안정적인 연결을 위해 먼저 접지와 기준 전극을 적용하세요.
5. 전극 신호 품질이 제조사 권장 기준을 충족하는지 확인하여 낮은 잡음 수준과 신뢰할 수 있는 생리적 활동 기록, 임피던스 값(가능한 경우)이 허용 범위(보통 10 kΩ 미만) 내에 있어야 합니다.
6. 전극 케이블을 배치해 움직임 인위를 최소화하고, 참가자의 옷에 고정하여 커넥터에 가해지는 부담을 줄이세요.
7. 참가자를 모니터 앞에 편안히 앉히세요. 장시간 녹화 중 안정적인 경계심을 지원하기 위해 무음의 중립적인 영상을 제공하세요.
8. 채널 간 기본 노이즈가 일관되도록 원시 EEG 신호를 검사하세요. 생리학적 특징(예: 눈 깜빡임, 근육 활동)이 명확히 식별 가능한지 확인하세요.

4. 자극 설정 및 임계값 결정

1. 자극 부위(예: 우세 손의 검지)를 알코올 면봉으로 청소하여 피부 임피던스를 줄이고 전극-피부 접촉을 안정적으로 유지하세요.
2. 자극 패드에 손가락을 위치시키세요. 참가자에게 실험 내내 편안하고 움직이지 않는 손 자세를 유지하도록 요청하세요. 안정적인 접촉이 이루어지도록 하세요. 가능하다면 장치의 자동 기준 힘 등록 기능을 사용하여 안정된 압력을 확인하고; 그렇지 않으면 접촉이 일관성을 유지하는지 수동으로 확인하세요.
3. 표준 계단 절차¹⁷을 사용하여 전기 자극에 대한 개별 감각 임계값을 결정합니다.
   1. 자극을 1 mA에서 시작하여 참가자가 처음으로 감각을 보고할 때까지 0.5 mA 단위로 강도를 증가시킵니다.
   2. 0.5 mA 강도를 낮춘 후 0.1 mA 단계로 증가시켜 임계값이 정밀해집니다.
   3. 각 후보 강도에 10개의 자극을 제시하고, 최소 5개 이상의 자극이 감지되는 가장 낮은 강도로 임계값을 정의합니다.
   4. 계단 절차를 3번 반복하고 감각 임계값으로 평균값을 계산하세요.
4. 전기 자극에 대한 불편함 임계값을 정하세요.
   1. 감각 임계값부터 0.5 mA 단계별로 강도를 증가시킵니다. 자극이 불쾌하거나 견딜 수 없을 때 참가자에게 표시해 달라고 요청하세요.
   2. 불편함 임계치를 이 수준 이하에서 마지막으로 허용되는 강도로 정의하세요. 4-7번의 테스트 펄스를 투여하여 내약성을 확인하세요.
5. 실험의 최종 자극 강도를 감각과 불편함 임계값 사이의 값으로 선택하는데, 보통 두 가지의 산술 평균을 사용합니다.
6. 기계적 자극 강도를 불편함이나 손가락 움직임이 눈에 띄지 않게 명확히 감지할 수 있도록 설정하세요(예: 감각 임계치의 두 배).

5. 자극 시퀀스의 준비

1. 일반 매개변수
   1. 전기 및 기계적 자극의 펄스 폭을 200 μs로 설정하세요. 표준의 지속 시간은 100 ms, 일탈 신호는 145 ms로 정의하며, 별도 명시가 없는 한 합니다. 자극 간 간격(ISI)이 3.0-5.5초 사이에 무작위로 흔들립니다. 각 자극 유형을 최소 100회 이상 제시하세요.
2. 이상한 및 이동 패러다임 (전기 및 기계적 자극)
   1. 이상한 패러다임에서는 5-8개의 표준과 단일 일탈자가 이어지는 순서를 제시합니다. 전형적인 이상한 블록에는 약 100명의 일탈자와 650개의 표준(총 750개의 자극)이 포함되었다.
   2. 이동 패러다임에서는 5-8개의 연속 기준 뒤에 5-8개의 일탈자가 이어진다. 일반적인 이동 블록에는 약 100개의 표준 시퀀스와 100개의 일탈 시퀀스가 포함되었으며(각 시퀀스는 5-8개의 자극을 포함하여, 블록당 총 약 1300개의 자극이 됩니다).
   3. 전기적·기계적 자극 두 가지 패러다임을 모두 적용하세요. 기계적 자극의 강도를 불편함 임계값 이하로 명확히 감지할 수 있도록 조절하세요.
3. 복합 전기-기계적 자극 (로빙 패러다임)
   1. 표준과 일탈자는 기간이 아니라 모달리티(modality)로 정의하세요. 100ms 지속 시간이 동일한 전기적·기계적 자극을 모두 제시하여 지속 시간을 교란 요인으로 제거하세요.
   2. 이 조건에는 5-8개의 연속 표준과 5-8개의 일탈 순서로 이동 시퀀스 구조를 사용한다. 이 설계에서는 표준과 일탈자의 역할이 같은 세션 내에서 자연스럽게 번갈아 수행되어, 세션 간 추가 균형 조정이 필요 없습니다.

6. 자극 중 EEG 기록

1. 실험 절차를 참가자에게 설명하며, 촉각 자극에 대한 행동 반응이 필요하지 않다는 점을 언급하세요. 안정적인 경계 상태를 유지하기 위해서는 무음의 중립적인 영상을 제공하는 것이 권장됩니다; 하지만 이는 선택 사항입니다. 참가자에게 언제든지 실험에서 철회할 수 있으며 아무런 제재 없이 탈락할 수 있음을 알리세요.
2. 녹화 중 깜빡임, 얼굴 근육 수축, 머리 움직임을 최소화하도록 지도하세요.
3. 참가자에게 진동 액추에이터의 소음에 뇌 반응이 영향을 받지 않도록 능동 소음 차단 기능이 있는 이어폰을 사용하도록 요청하세요.
4. 피로를 줄이고 데이터 품질을 유지하기 위해 10-15분마다 짧은 휴식을 제공하세요. 이 휴식 시간 동안 참가자의 자극 강도 인식을 평가하고, 주관적 지각에 큰 변화가 보고되면 강도를 조정합니다. TTL 트리거를 사용해 자극기와 EEG 획득 시스템 간의 동기화를 검증하세요.
5. 10,000Hz의 샘플링 속도로 EEG 기록을 시작하세요. 이 속도는 자극 주파수의 최소 2배입니다.
6. 지정된 패러다임에 따라 자극 시퀀스(전기, 기계, 전기기계)를 실행하세요(표 1).
7. 조건별로 최소 100개의 일탈 시험을 수집하세요. 표준 시험 수를 조정하여 각 일탈자당 약 5-8개의 표준 비율을 유지하세요.
8. 주 실험 외에도, 자극기를 정상적으로 보내는 대조 시퀀스를 실행하되, 피실험자의 손을 자극면 밖에 두어 ERP/MMN이 예상되지 않는 조건을 보여주어 관찰된 효과가 프로토콜에 따라 달라진다는 것을 확인합니다.

7. EEG 데이터 전처리 및 분석

1. 지속적인 EEG를 점검하고 지속적인 노이즈 오염이 있는 채널을 제거하여 아티팩트를 제거하세요. 기술적 중단이나 과도한 근육 활동으로 영향을 받는 시간 구간은 제외하세요.
2. 각 시점에서 각 채널의 평균 값을 빼서 기준선 오프셋을 보정하여 기준선 오프셋을 보정합니다.
3. 연속 EEG 데이터에 1-40 Hz 밴드패스 4차 IIR 필터를 사용하여 필터링을 적용합니다.
4. 데이터를 자극 시작에 시간 고정된 에포크(−1000ms에서 +1000ms)로 세분화합니다.
   참고: 저희 경험상, 대칭적인 1초 자극 전후 창을 사용하면 데이터 품질을 보다 상세히 평가할 수 있고, 추가 주파수 필터링을 적용할 수 있으면서도 임계 기준선에 영향을 주지 않으며, 자극 관련 동기화 또는 비동기화 감지가 가능해집니다.
   1. 단방향 자극(전기적 또는 기계적 이상/이동 패러다임)의 경우, 자극 지속 시간(100ms 대 145 ms)에 따라 표준 및 일탈 시기를 정의합니다.
   2. 다중 모드 자극(전기-기계식 결합 이동 패러다임)의 경우, 자극 양식(전기 vs. 기계, 모두 100ms 지속 시간)에 따라 표준 및 일탈 시기를 정의합니다.
5. 오염된 에포크는 −1000에서 +1000 ms 구간 내에서 +50 μV를 초과하거나 −50 μV 이하로 떨어지는 것을 제외하여 배제합니다.
6. −200ms에서 −50ms 자극 전 구간의 평균값을 빼서 에포크의 기준선을 조정합니다.
7. 각 조건 내에서 동일한 유형(표준 또는 일차)의 에포크에 걸쳐 평균 흔적을 계산하여 평균 파형을 산출합니다.
8. ERP를 시각화하여 개별 채널이나 관심 영역별로 ERP를 그래프로 표시하며, 자극 후 150-350ms 시간 창 내 관심 중심-시간적 영역에 집중합니다.
   반대쪽 반구: FC5, FT7, C3, C5, T7, CP3, CP5, CP7, P3, P5, P7.
   동측 반구: FC6, FT8, C4, C6, T8, CP4, CP6, TP8, P6, P8, P4.

결과

이상한 패러다임
기계적 자극 중 빈번한 표준 자극(100ms) 중 희귀한 일탈 자극(145ms)이 제시되었으나, 명확하고 신뢰할 수 있는 ERP가 나오지 못했다. 따라서 표준 반응과 일탈 반응 사이에 유의미한 차이가 관찰되지 않았습니다(그림 1). 반면, 전기 이상형 패러다임은 식별 가능한 양측 ERP 파형을 생성했습니다. 그러나 표준 자극과 일탈 자극을 비교했으니 여전히 유의미하거나 일관된 MMN 구성 요소를 얻지 못했습니다(그림 1).

이동 패러다임
기계적 이동 패러다임은 식별 가능한 양측 ERP 파형을 생성했습니다. 이러한 개선에도 불구하고, 편차와 표준 자극을 비교했을 때도 유의미한 MMN 성분을 발견하지 못했습니다(

토론

이 연구는 인공 전기적 자극과 자연 기계적 촉각 자극의 직접적이고 피험자 내 신경 비교를 위한 표준화된 EEG 프로토콜을 확립합니다. 핵심 방법론적 기여는 정확한 시간 제어, 참가자별 지각 교정, 그리고 피질 반응을 평가하기 위한 다양한 실험 패러다임의 적용을 보장하는 틀입니다. 초기 개념 증명 결과는 제한된 표본에 기반하지만, 프로토콜의 효능을 입증하고 보다 자연스러운 햅틱 인터페이스 개발을 안내할 잠재력을 강조합니다.

패러다임 간 ERP의 명확성 차이는 표준과 일탈을 정의하는 데 있어 각각 다른 분석적 접근법을 가진 직접적인 결과입니다. 오드볼 패러다임에서는 ERP가 각각 모든 표준 자극과 모든 일탈 자극의 평균을 내어 도출됩니다. 이 접근법은 다양한 적응 상태에서 나오는 신경 반응을 포함시켜 가변적이고 그에 따른 희석된 평균 신호를 만듭니다. 반면, 이동 패러다임은 보다 선택적인 분석을 사용합니다: 표준 ERP는 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
actiCHamp Plus 다목적 올인원 실험실 앰프	Brain Products GmbH	주목 ACBM17120955	주요 EEG 데이터 획득 시스템
actiCAP slim / snap	Brain Products GmbH	BP-185-2200	64채널의 능동 전극 커패시
디지타이머 DS7A	디지타이머 주식회사	우디-디 5060490360003	전기 자극기
매트랩	매스웍스, Inc., 매사추세츠주 내틱, 미국
미니 셰이커 타입 4810	브르듵울; 엘 & Kjæ r	BP-0232	기계 자극기
포토 센서	Brain Products GmbH	해당 없음	자극 시작의 광학적 탐지
차폐된 방 네이로이코니카 "전문가"	네이로이코니카 어시스티브 주식회사	S/N 20210119011	전자기 차폐 챔버
트리거박스 플러스	Brain Products GmbH	S/N TB-A100009-0624	TTL 트리거의 동기화 인터페이스