P50 유아의 감각 게이팅

안녕하세요, Ally Newton입니다. 저는 Sharon Hunter 박사입니다. 저는 Randy Ross 박사입니다.

저희는 콜로라도 대학교 덴버 의과대학의 Jerome Kern Labs 및 발달 연구 프로그램 소속입니다. 저희는 청각 감각 게이팅의 한 형태인 영아 P 50 게이팅을 시연하겠습니다. 주의력 결핍은 조현병, 조울증, 자폐증, 주의력 결핍 과잉 행동 장애(ADHD)를 포함한 여러 정신 질환에서 흔하게 나타납니다.

이러한 주의력 결핍의 신경발달적 구성 요소에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 여기서 신경발달적이라는 의미는 결핍 증상이 아동기나 성인기에 임상적으로 두드러지게 나타나더라도, 그 결핍은 영아기 또는 심지어 태아기부터 시작되는 매우 이른 시기의 뇌 발달 문제로 인한 결과라는 것입니다. 이러한 관심의 증가에도 불구하고, 영아기의 주의력을 측정하는 방법, 특히 출생 후 며칠 또는 몇 주 이내에 사용할 수 있는 방법은 거의 없습니다.

P 50 감각 게이팅(sensory gating)은 아주 어린 영아에게 사용할 수 있는 한 가지 방법입니다. 주의 집중에는 여러 구성 요소가 있습니다. 여기서는 가장 초기 구성 요소 중 하나에 집중하겠습니다.

뇌는 반복적이고 정보 가치가 없는 감각 정보를 걸러내거나 게이팅(gating)하도록 설계되어 있습니다. 이러한 감각 게이팅은 청각 유발 전위를 통해 측정할 수 있습니다. 새로운 청각 자극은 전형적인 성인 반응에서 자극 후 발생하는 잠복기에 따라 양성 P 또는 음성 N으로 지정되는 전형적인 뇌전도(ELECTROENCEPHALOGRAPHIC) 또는 EEG 기록 파형을 유발합니다.

초기 반응 성분에는 N 40, P 50 및 N 100 파형이 포함됩니다. 어린이의 경우 잠복기가 더 길지만, 성인 기반 문헌과의 일관성을 유지하기 위해 해당 파형을 여전히 N 40, P 50 및 N 100으로 명명합니다. 자극이 두 번째로 제시되는 즉시 뇌 억제 시스템이 활성화되어 유발 반응이 감소합니다.

우리는 의식적인 사고 없이 감각 처리의 매우 초기 단계에서 발생하는 P 50 파형에 집중합니다. 이를 정량화하는 방법은 나중에 시연하겠으나, 일반적으로 첫 번째 소리에 비해 두 번째 소리에 대한 반응이 감소하는 것은 양호한 감각 게이팅(sensory gating)을 의미하며 주의 집중의 중요한 첫 단계입니다. 두 번째 소리에 대한 반응 억제에 실패하는 것은 감각 게이팅이 불량함을 나타내며, 이는 주의 집중의 어려움과 관련이 있습니다.

참가자가 특별히 수행해야 할 작업이 없으므로, 이 과제는 영유아에게 사용하기에 매우 적합합니다. 추가적으로 고려해야 할 중요한 사항이 하나 있습니다. 이러한 자동적인 전주의적 억제 과정은 각성 수준이 높아진 상태에서는 효과가 없습니다.

영아에게 전극을 부착하는 행위만으로도 각성 상태가 되어 감각 게이팅(sensory gating)의 정확한 평가를 방해할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해, P 50 기록 전에 영아가 활성 수면(active sleep), 즉 영아기의 급속 안구 운동 또는 REM 수면 상태에 진입하도록 해야 합니다. 감각 게이팅 측정을 위해 전도성 페이스트가 채워진 은-염화은(silver chloride) 전극을 의료용 접착 테이프로 아동에게 부착합니다.

뇌전도(EEG)와 청성 유발 전위는 두피의 정점(vertex) 부위 zz에서 기록합니다. 수면 단계 분석을 돕기 위해, 왼쪽 또는 오른쪽 눈의 바로 위쪽과 가쪽(lateral)에 배치한 전극에서 양극 전안구도(EOG)를 기록합니다. 또한 턱밑 전근도(EMG)도 함께 기록합니다.

신호는 5,000배로 증폭되며 0.05에서 100 Hz 사이에서 필터링됩니다. EOG 신호는 1,000배로 증폭되어 1에서 200 Hz 사이에서 필터링되며, EMG 신호는 10,000배로 증폭되어 1에서 2,200 Hz 사이에서 필터링됩니다. 샘플링 속도는 1,000 Hz로 설정합니다.

데이터는 ACI 형식으로 변환됩니다. 아동이 잠든 것이 확인되고 전극 임피던스가 10 kΩ 미만이면, MathWorks(미국 매사추세츠주 NA)에서 제공하는 MATLAB 소프트웨어를 사용하여 추가 분석을 수행합니다. 머리 양측에 배치된 두 개의 스피커를 통해 지속 시간 50 milliseconds, 간격 500 milliseconds인 쌍 클릭음을 제시합니다. 클릭 쌍 사이의 자극 간격은 10 seconds로 일정하게 유지합니다.

각 클릭 시 85dB의 음압 레벨이 출력되도록 볼륨을 조절합니다. 영아가 잠든 상태를 유지하는 동안 귀에서의 음압 레벨 기록을 계속하며, 일반적으로 30분에서 90분 사이의 연속적인 데이터를 얻습니다. 활동성 수면 기간을 충분히 식별하기 위해서는 일반적으로 60분 이상의 수면 시간이 필요합니다.

분석을 위해, 아기가 잠들어 있을 때 최적의 데이터를 얻을 수 있습니다. 목표는 최소 15분 동안 중단 없는 활성 수면 상태를 유지하는 것입니다. 이 정도의 데이터를 확보하기 위해, 일반적으로 1시간에서 1시간 30분 동안 기록합니다.

영유아 피험자가 계속 잠들어 있을 가능성을 최대화하기 위해 여러 가지 조치를 취할 수 있습니다. 여기에는 영유아의 평소 낮잠 시간에 맞춰 방문 일정을 잡는 것, 다른 활동 공간과 떨어진 조용한 방을 사용하는 것, 방을 어둡게 하는 것, 그리고 아기가 선호하는 것에 따라 사용할 수 있도록 아기 침대, 아기 그네 및 흔들 의자를 준비하는 것이 포함됩니다. 그네나 아기 침대의 머리 부분에는 아기의 머리를 위해 시트를 깔아줍니다.

깨끗한 전극, 전도성 EEG 페이스트, 그리고 노스캐롤라이나주 샬럿의 ComMedics 사에서 제작한 NeuroScan과 같은 뇌파 기록 장치를 포함하여, 아기가 도착하기 전에 모든 준비를 마치는 것이 중요합니다. 마지막으로, 아마도 가장 중요한 점은 예상보다 더 충분한 시간을 계획해야 한다는 것입니다. 아기들은 스트레스에 매우 민감하며, 실험자가 압박감을 느끼면 아기 또한 스트레스를 받아 잠을 잘 자지 못하게 됩니다.

아기가 도착하면 속싸개를 시작하기 전에 반드시 수유와 트림을 시키고 기저귀가 깨끗한지 확인하십시오. 필요한 경우, 임피던스를 최소화하기 위해 전극 준비 패드로 머리를 닦아줍니다. 전극을 고정하기 위해 전도성 EEG 페이스트와 천 테이프가 사용됩니다. 환경 소음의 영향을 줄이기 위해 이마 또는 귀 뒤쪽에 접지용 전극을 배치합니다.

기준 전극으로 사용하기 위해 오른쪽 또는 왼쪽 유양돌기에 전극을 부착합니다. 기준 전극은 유양돌기와 얼굴의 동일 선상에 위치한다면 코 위에 배치할 수도 있습니다. CZ 전극 배치를 위해 머리의 중앙 지점을 측정할 때 때때로 줄자를 사용합니다.

전극을 cz에 배치합니다. EEG의 경우, 안구 전도(EOG) 또는 안구 운동을 기록하기 위해 두 개의 전극을 배치하는데, 하나는 눈썹 위 뼈에, 다른 하나는 눈 오른쪽 뼈에 배치합니다. 근육 긴장도를 측정하기 위한 EMG용 전극 하나는 턱에 부착하며, neuros scan을 사용하여 임피던스 수치를 확인합니다. 판독 값은 낮은 임피던스를 나타내는 진한 파란색 또는 검은색으로 나오는 것이 이상적입니다.

때로는 아기의 머리 위에서 페이스가 예열될 때까지 기다리는 것이 유익하며, 이는 임피던스 측정값을 낮춰줍니다. 또한 원하는 임피던스 수준을 얻기 위해 전극을 눌러줄 필요가 있을 수 있습니다. 일반적으로 이 시간에는 실내를 어둡게 하지만, 촬영을 위해 조명을 켠 상태로 유지하겠습니다.

눈의 개폐 여부, 신체 움직임, 아기의 움직임으로 인해 전극이 이동하거나 이탈했는지 여부, 더 정확한 측정을 위한 조치, 외부 소음 및 활동성 수면의 가능 시간 등 과정에 대한 코멘트를 동시에 기록합니다. 트레이싱(tracing)에 심박수가 나타나는 경우, EMG 전극을 뼈가 있는 부위나 턱 부분으로 옮깁니다. 판독 결과에 노이즈가 많거나 무질서한 경우, 휴대전화와 같이 실내에 있는 기기로부터 발생하는 전자 간섭이 원인일 수 있습니다.

전극이 제대로 고정되지 않은 경우에는 전극을 아래로 눌러 더 단단히 고정할 수 있으며, 전선이 다른 전기원에 닿는 경우에는 전선을 테이프로 고정하여 이를 방지할 수 있습니다. 아기가 깨어나면 접착제 제거제를 사용하여 테이프와 페이스트를 쉽게 제거합니다. 아기용 물티슈를 사용하여 아기의 머리에 남은 잔여 페이스트를 닦아냅니다.

그 후 가족에게 감사를 표하고 녹화된 데이터는 오프라인 분석 단계로 넘어갑니다. 다음은 전형적인 영아의 트레이싱 일부입니다. 첫 번째 단계는 능동 수면(active sleep) 기간과 정적 수면(quiet sleep) 기간을 식별하는 것입니다.

특히, 15분 이상 지속되는 활성 수면(active sleep) 기간을 찾고 있습니다. 활성 수면에서는 큰 안구 운동과 함께, 아이가 깨어 있을 때와 유사하게 고주파 및 저전압의 특성을 보이는 활성 뇌파가 나타납니다. 또한, 평탄한 EMG로 표시되는 낮은 근긴장도가 관찰되며, 기록 중에 수집된 노트에는 아기의 눈이 감겨 있고 호흡이 불규칙하다는 내용이 기재될 것입니다.

기록 후에는 약 60 hertz의 주파수에서 발생하는 파형을 제거하는 필터를 포함하여 트레이싱에 필터를 적용합니다. 60 hertz 파형은 대부분의 미국 전자 제품에 의해 생성됩니다. 또한 1 hertz 미만의 주파수를 제거하는 필터를 사용하는데, 이는 에너지 장의 무관한 드리프트에 의해 생성되는 것입니다.

이를 통해 뇌파와 환경에 의해 생성된 파동을 구별할 수 있습니다. 3초 분량의 에포크(epoch)를 확대해 보면, 클릭이 발생한 지점을 확인할 수 있습니다.

하지만 단일한 2초 분량의 에포크(epoch)만으로는 특정 유발 전위파를 식별하기 어렵습니다. 따라서 에포크들을 함께 평균화하며, 에포크의 수가 많을수록 각 성분이 더 명확해집니다. 여기서는 75개의 에포크를 평균화하여 우리가 측정하고자 하는 파형을 확인할 수 있습니다.

자극이 제시된 후 나타나는 첫 번째 큰 양성파를 P1 또는 P50이라고 합니다. 그 뒤에는 N100이라 불리는 음성 방향의 두 번째 파형이 이어집니다. 영아의 경우, 이러한 파형들은 성인에서 관찰되는 것보다 더 늦게 나타납니다.

이 영아의 P 50은 성인에서 관찰되는 50 ms와 달리 자극 후 약 75 ms 후에 실제로 발생했습니다. 우리는 첫 번째와 두 번째 소리에 대한 반응을 측정한 후, 이전의 저점(trough)부터 정점(peak)까지 P 50의 진폭을 측정했습니다. 두 번째 진폭을 첫 번째 진폭으로 나눕니다.

게이팅 비율을 식별하기 위해 피크의 가장 높은 지점에서 잠복기를 측정합니다. 여기 게이팅에 실패하여 비율이 1에 가까운 영아의 예와, 정상적인 감각 게이팅을 가능하게 하는 잘 기능하는 억제 과정을 반영하여 비율이 0에 더 가까운 영아의 예가 있습니다. 어떤 백분율을 정상 게이팅으로 간주할 것인지에 대한 명확한 컷오프 기준은 아직 확립되지 않았습니다.

모든 게이팅 백분율이 없는 것보다 낫다는 점을 염두에 두면서 0.5의 컷오프 값을 사용합니다. P 50 감각 게이팅(sensory gating)은 주의력의 초기 전주의적 성분을 측정하는 효과적인 방법입니다. 이 방법은 생후 몇 시간 된 매우 어린 영아에게도 적용 가능합니다.

이 방법은 초기 발달 과정에 대한 통찰을 제공할 수 있습니다. 또한, 주의력 결핍 문제가 임상적으로 나타나기 훨씬 전부터 이를 예방하기 위한 새로운 중재법을 평가하는 기제로 유용하게 활용될 수 있습니다. Jerome Kern Laboratories의 저희는 이번 발표가 영아의 P 50 감각 게이팅을 평가하기 위한 기초 교육을 제공하는 데 도움이 되었기를 바랍니다.