뇌파 발생 원리

뇌파 발생 원리

 

뇌파는 뇌에서 발생하는 전기적 파동 신호를 의미한다.

 

https://brainmaster.com/software/pubs/brain/Nunez%202ed.pdf

 

특히 측정의 대상이 되는 뇌파는 대뇌피질의 신경세포에서 발생하는 전위차에 의한 전기신호이다. 뇌의 신경세포인 뉴런은 활성화가 되면 약 100mV 정도의 활동전위가 발생한다. 각 뉴런이 활성화가 되는 데에는 다양한 메커니즘이 적용된다. Hodgkin-Huxley (HH)이나 Leaky Integrate and fire (LIF) 모델이 뉴런 활성화 메커니즘이며 뉴런이 활성화가 되면 활성화된 뉴런의 축삭부분에는 반드시 약 100mV 정도의 활동전위가 발생하게 되고, 이 전위는 궁극적으로 축삭 말단에서 신경전달물질의 분비를 촉진하는 역할을 하게 된다.

 

 

단일 뉴런의 활동전위를 두피에서 측정하기 위해서는 활동전위가 전류로 두피까지 전달되고 두피 안팎으로 충분한 크기의 전위가 형성되어야 한다. 하지만 대뇌피질의 뉴런에서 발생한 활동전위가 두피까지 전달되기 위해서는 뇌막, 뇌수액, 두개골 등을 지나와야 하는데 이때 대부분의 전위가 소실되어 사실상 두피에서는 노이즈 수준의 전위밖에 형성되지 않는다.

 

http://www.panaxtos.com/m_page.php?ps_pname=pro_eeg

 

두피까지 측정가능한 전위가 전달되기 위해서는 결국 다수의 뉴런이 동시다발적으로 활성화가 되어 각 뉴런들의 활동전위의 합이 충분히 커져야 한다. 하지만 이 경우에도 만약 각 뉴런들의 활동전위가 발생시키는 전류가 서로 다른 방향으로 흐를 경우 총 전류는 상쇄되어 두피부분에서 충분한 전위차가 발생하지 않을 것이다. 

 

두피부분에서 전극을 이용하여 뇌파를 측정할 수 있는데 이는 대뇌 피질에 있는 피라미드 세포라고 불리는 뉴런들이 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 설계되어 있기에 가능하다. 대뇌 피질부분에 존재하는 피라미드 세포들은 대뇌 피질 표면에 수직한 방향으로 축삭돌기를 뻗고 있다.

 

http://www.panaxtos.com/m_page.php?ps_pname=pro_eeg

 

실제로 두피에서 측정되는 뇌파는 각 뉴런에서 발생하는 활동전위의 합이기 보다 각 피라미드 세포의 연결 지점인 시냅스에서 발생하는 시냅스 후기 전위의 합으로 보고 있다. 

 

각 뉴런의 활동전위는 시냅스 후기 전위보다 전위는 약 10배정도 크지만 지속시간이 짧아서 일순간에 활성화되는 뉴런을 일부이기 때문에 실제로 전달되는 전위는 크지 않다. 

 

반면 시냅스 후기 전위는 뉴런의 활동전위보다는 크기가 작지만, 반대로 지속시간이 10배 정도 길어 의미 있는 신호를 얻을 수 있게 된다.

 

마지막으로, EEG 신호의 세기는 얼마나 동시에 많은 시냅스들이 활성화 되는가에 의해 결정된다. 각각의 뉴런들이 활성화가 자주된다고 해도, 동시간에 활성화되지 않으면 전달되는 신호의 세기는 미미하다. 만약 각 세포들이 동시에 활성화 되는 것이 반복되면 EEG는 강하고 활발한 신호를 보일 것이다. 결국 EEG 신호의 진폭을 통해 얼마나 많은 뉴런들이 동시에 활성화가 되고 있는 지를 파악할 수 있게 된다.