뇌파로 사람의 마음을 읽다

기획·칼럼

뇌파로 사람의 마음을 읽다
[만화로 푸는 과학 궁금증] 뇌파, 수만 개의 뇌세포 활동이 합쳐진 전기적 파동

2020.06.12 07:32 윤상석 프리랜서 작가

요즘 뇌 과학이 발전하면서 뇌파에 대한 관심이 점점 높아지고 있다.

뇌파는 뇌 질환을 찾아내기 위한 의학이나 인간의 마음을 읽는 심리학, 그리고 언어 능력 연구 등에서 활발하게 활용되고 있다. 또한 장애인이 생각만으로 전동 휠체어의 속도와 방향을 조절하는 등의 최첨단 기술 연구에도 이용되고 있다.

뇌파란 무엇인가?

뇌파를 알려면 먼저 인간의 뇌가 어떻게 정보를 주고받는지부터 알아야 한다.

인간의 뇌는 뉴런이라 부르는 약 1000억 개의 뇌세포로 구성된다. 각각의 뇌세포는 수상 돌기와 축삭 돌기들이 밖으로 뻗어 나와 있고, 이들에 의해 수많은 뇌세포가 복잡하게 연결되어 있다. 이런 뇌세포 간의 연결을 시냅스라고 하는데, 우리 뇌에는 100조 개의 시냅스 연결이 있다.

우리의 눈이나 귀, 촉각 등 감각 기관이 제공하는 정보는 전기 신호로 바뀌어 뇌로 전달되는데, 이 신호를 뇌세포는 수상 돌기로 받아들이고 축삭 돌기를 통해 다른 뇌세포의 수상돌기에 전달한다. 이 과정을 통해 뇌세포들이 신호를 주고받는다.

우리가 같은 물건을 볼 때마다 눈에서 뇌로 전달된 신호는 뇌세포들 사이에서 동일한 신호 패턴을 일으킨다. 따라서 어떤 물건을 자주 보게 되면 뇌세포들 사이에 똑같은 신호 패턴이 반복되므로 우리가 반복 학습하게 되고 기억을 하게 된다.

이와 같이 뇌세포 사이에 오고 가는 신호를 통해 우리는 생각을 하고 학습을 하며 지능을 갖는다.

그런데 뇌세포 사이에 전기 신호가 오고 갈 때 전기적 파동이 생긴다. 뇌세포 하나에서 발생하는 전기적 파동의 세기는 측정할 수 없을 정도로 약하지만, 수만 개의 뇌세포가 동시에 전기 신호를 주고받으면 미약한 파동들이 합쳐져서 측정 가능한 파동으로 나타난다. 이것이 뇌파이다.

우리에게 들어온 정보는 전기 신호로 바뀌어 뇌로 전달되는데, 이 신호를 뇌세포는 수상 돌기로 받아들이고 축삭 돌기를 통해 다른 뇌세포의 수상 돌기에 전달한다. ⓒ윤상석

뇌파는 1875년 영국의 생리학자 R. 케이튼이 처음으로 발견했다. 그는 토끼, 원숭이의 대뇌피질에서 나온 미약한 전기 활동을 검류계를 통해 측정했다.

1924년 독일의 정신과 의사인 한스 베르거는 머리에 외상을 입은 환자의 머리에서 인간의 뇌파를 처음으로 측정하였다. 그는 환자의 손상된 두개골 부위 피부밑에 2개의 백금 전극을 삽입하여 전기 신호의 변화를 측정하였는데, 나중에는 두피에 전극을 얹기만 하여도 그 신호를 측정할 수 있다는 것을 알아냈다.

뇌파에도 종류가 있다

뇌파는 수만 개의 뇌세포 활동이 합쳐진 전기적 파동으로, 인간의 뇌에서는 매 순간 흘러나온다.

뇌파는 크게 두 종류로 나눌 수 있다. 먼저 우리가 무엇을 보거나 들었을 때처럼 외부로부터 오는 자극이 있을 때 나타나는 뇌파가 있다. 예를 들어 하얀 벽면을 보고 있는데 갑자기 그 벽면에 빨간 점이 나타났을 때 나타나는 뇌파이다.

반면에 외부로부터 자극이 없이 나타나는 뇌파가 있다. 이 뇌파는 외부 자극이 없어도 일어나는 뇌의 활동 때문에 나타난다. 이 뇌파는 1초 동안 몇 번 진동하느냐에 따라, 즉 뇌파의 주파수에 따라 델타(δ)파, 세타(θ)파, 알파(α)파, 베타(β)파, 감마(g)파 5종류로 구분한다.

델타파는 주파수 0.2~4Hz로 1초 동안 0.2~4번 진동하여 5종류의 뇌파 중 가장 적게 진동한다. 델타파는 아주 깊은 수면이나 깊은 명상, 또는 의식 불명 상태일 때 나타난다. 만약 깨어 있는 사람에게서 평균보다 델타파가 많이 나타난다면 대뇌피질 부위에 악성 종양이 있을 수 있다.

세타파는 주파수 4~8Hz로 초당 4~8번 정도 진동한다. 창의적인 생각이 일어나는 순간이나 정서 안정 또는 잠에 빠져드는 과정에서 주로 나타난다. 성인보다는 어린이에게 더 많이 나타나며 명상하는 동안에도 나타난다.

알파파는 주파수 4~8Hz로 초당 8~13회 정도 진동한다. 마음이 편안하고 안정 상태에 있을 때 나타나는 뇌파이다. 특히 눈을 감고 편안한 상태에 있을 때 안정된 알파파가 나타난다. 알파파는 눈을 뜨면 약해지고 감으면 강해지기 때문에 뇌의 시각 영역과 연결된다고 추측된다. 또한, 유아나 노인의 경우에는 알파파의 주파수가 8~9Hz로 비교적 느린 진동을 나타낸다.

베타파는 주파수 13~30Hz로 초당 13~30번 정도 진동한다. 대체로 눈을 뜨고 생각하고 활동하는 동안 나타나는 뇌파이다. 특히, 불안하거나 긴장한 상태, 복잡한 계산을 처리할 때에 자주 나타난다. 생각이 많거나 걱정을 할 때도 나타난다.

마지막으로 감마파는 초당 40회 정도로 가장 빠르게 진동한다. 초조한 상태이거나 깊은 주의집중이 이뤄질 때 잘 나타난다.