역사

In the mid-19th century, a railroad worker named Phineas Gage was in charge of setting explosive charges for blasting through rock in order to prepare a path for railroad tracks. He would lay the charge in a hole drilled into the rock, place a fuse and sand on top of the charge, and pack it all down using a tamping iron (a solid iron rod approximately one yard long and a little over an inch in diameter). On a September afternoon when Gage was performing this task, his tamping iron caused a spark that set off the explosive prematurely, sending the tamping iron flying through the air. 

19세기 중반, 피니어스 게이지라는 철도 노동자가 철로를 만들기 위해 바위를 폭파하기 위해 폭약을 설치하는 일을 담당했습니다. 그는 바위에 뚫은 구멍에 폭약을 넣고 그 위에 도화선과 모래를 얹은 다음 탬핑 아이언(길이가 약 1미터, 지름이 1인치가 조금 넘는 단단한 철 막대)을 사용하여 모든 폭약을 다져 넣었습니다. 게이지가 이 작업을 수행하던 9월 오후, 탬핑 아이언에서 스파크가 발생하여 폭발물이 조기에 터지면서 탬핑 아이언이 공중으로 날아갔습니다. 

Unfortunately for Gage, his head was above the hole and the tamping iron entered the side of his face, passed behind his left eye, and exited out of the top of his head, eventually landing 80 feet away. Gage lost a portion of his left frontal lobe in the accident, but survived and lived for another 12 years. What is most interesting from a psychological perspective is that Gage’s personality changed as a result of this accident. He became more impulsive, he had trouble carrying out plans, and, at times, he engaged in vulgar profanity, which was out of character. This case study leads one to believe that there are specific areas of the brain that are associated with certain psychological phenomena. When studying psychology, the brain is indeed an interesting source of information. Although it would be impossible to replicate the type of damage done to Gage in the name of research, methods have developed over the years that are able to safely measure different aspects of nervous system activity in order to help researchers better understand psychology as well as the relationship between psychology and biology.

불행히도 게이지의 머리는 구멍 위에 있었고 탬핑 아이언은 그의 얼굴 옆으로 들어가 왼쪽 눈 뒤를 지나 머리 꼭대기에서 빠져 나와 결국 80피트 떨어진 곳에 떨어졌습니다. 게이지 씨는 이 사고로 왼쪽 전두엽의 일부를 잃었지만 살아남아 12년 동안 더 살았습니다. 심리적 관점에서 가장 흥미로운 점은 이 사고로 인해 게이지의 성격이 변했다는 것입니다. 그는 더 충동적이 되었고, 계획을 실행하는 데 어려움을 겪었으며, 때때로 성격에 맞지 않는 저속한 욕설을 하기도 했습니다. 이 사례 연구는 특정 심리 현상과 관련된 뇌의 특정 영역이 있다고 믿게 합니다. 심리학을 공부할 때 뇌는 실제로 흥미로운 정보의 원천입니다. 연구라는 명목으로 게이지에게 가해진 종류의 손상을 재현하는 것은 불가능하지만, 연구자들이 심리학과 생물학 간의 관계뿐만 아니라 심리학을 더 잘 이해할 수 있도록 신경계 활동의 다양한 측면을 안전하게 측정할 수 있는 방법이 수년에 걸쳐 개발되었습니다.

서론

Psychophysiology is defined as any research in which the dependent variable (what the researcher measures) is a physiological measure, and the independent variable (what the researcher manipulates) is behavioral or mental. In most cases the work is done noninvasively with awake human participants. Physiological measures take many forms and range from blood flow or neural activity in the brain to heart rate variability and eye movements. These measures can provide information about processes including emotion, cognition, and the interactions between them. In these ways, physiological measures offer a very flexible set of tools for researchers to answer questions about behavior, cognition, and health.

정신생리학은 종속 변수(연구자가 측정하는 것)가 생리적 측정치이고 독립 변수(연구자가 조작하는 것)가 행동 또는 정신인 모든 연구로 정의됩니다. 대부분의 경우 이 연구는 깨어 있는 사람을 대상으로 비침습적으로 수행됩니다. 생리적 측정은 혈류량이나 뇌의 신경 활동부터 심박 변이도, 안구 움직임에 이르기까지 다양한 형태로 이루어집니다. 이러한 측정은 감정, 인지 및 이들 간의 상호 작용을 포함한 프로세스에 대한 정보를 제공할 수 있습니다. 이러한 방식으로 생리적 측정은 연구자들이 행동, 인지, 건강에 관한 질문에 답할 수 있는 매우 유연한 도구를 제공합니다.

Psychophysiological methods are a subset of the very large domain of neuroscience methods. Many neuroscience methods are invasive, such as involving lesions of neural tissue, injection of neutrally active chemicals, or manipulation of neural activity via electrical stimulation. The present survey emphasizes noninvasive methods widely used with human subjects.

심리생리학적 기법들은 매우 광범위한 신경과학 기법들의 일종입니다. 많은 신경과학 방법들은 신경 조직의 손상, 중성 활성 화학물질 주입, 전기 자극을 통한 신경 활동 조작 등 침습적인 방법을 사용합니다. 본 조사에서는 인간 피험자에게 널리 사용되는 비침습적 방법을 역설합니다.

Crucially, in examining the relationship between physiology and overt behavior or mental events, psychophysiology does not attempt to replace the latter with the former. As an example, happiness is a state of pleasurable contentment and is associated with various physiological measures, but one would not say that those physiological measures are happiness. We can make inferences about someone’s cognitive or emotional state based on his or her self-report, physiology, or overt behavior. Sometimes our interest is primarily in inferences about internal events and sometimes primarily in the physiology itself. Psychophysiology addresses both kinds of goals.

중요한 것은, 생리학과 외적 행동/정신적 사건 사이의 관계를 조사할 때 정신생리학은 후자를 전자로 대체하려고 시도하지 않습니다. 예를 들어, 행복은 즐거운 만족 상태이며 다양한 생리적 측정과 관련이 있지만 이러한 생리적 측정이 행복이라고 말할 수는 없습니다. 우리는 누군가의 자기 보고, 생리학 또는 외적인 행동을 바탕으로 그 사람의 인지 또는 감정 상태를 추론할 수 있습니다. 때때로 우리의 관심은 주로 내부 사건을 추론하는 데 있으며 때로는 주로 생리학 자체에 있습니다. 정신생리학은 두 가지 목표를 모두 다룹니다.

중추 신경계 (CNS)

This module provides an overview of several popular psychophysiological methods, though it is far from exhaustive. Each method can draw from a broad range of data-analysis strategies to provide an even more expansive set of tools. The psychophysiological methods discussed below focus on the central nervous system. Structural magnetic resonance imaging (sMRI) is a noninvasive technique that allows researchers and clinicians to view anatomical structures within a human. The participant is placed in a magnetic field that may be 66,000 times greater than the Earth’s magnetic field, which causes a small portion of the atoms in his or her body to line up in the same direction. The body is then pulsed with low-energy radio frequencies that are absorbed by the atoms in the body, causing them to tip over. As these atoms return to their aligned state, they give off energy in the form of harmless electromagnetic radiation, which is measured by the machine. The machine then transforms the measured energy into a three-dimensional picture of the tissue within the body. In psychophysiology research, this image may be used to compare the size of structures in different groups of people (e.g., are areas associated with pleasure smaller in individuals with depression?) or to increase the accuracy of spatial locations as measured with functional magnetic resonance imaging (fMRI).

이 모듈에서는 널리 사용되는 몇 가지 심리 생리학적 방법에 대한 개요를 제공하지만, 모든 방법을 소개하지는 않습니다. 각 방법은 광범위한 데이터 분석 전략을 활용하여 훨씬 더 광범위한 도구 세트를 제공할 수 있습니다. 아래에서 설명하는 정신생리학적 방법은 중추신경계에 초점을 맞추고 있습니다. 구조적 자기 공명 단층 촬영법(sMRI)은 연구자와 임상의가 인체 내의 해부학적 구조를 볼 수 있는 비침습적 기법입니다. 참가자는 지구 자기장의 66,000배에 달하는 자기장 속에 놓이게 되며, 이 자기장은 신체 내 원자의 일부를 같은 방향으로 정렬하게 합니다. 그런 다음 신체에 저에너지 무선 주파수가 펄싱되어 체내 원자에 흡수되어 원자가 뒤집어지게 됩니다. 이 원자들이 정렬된 상태로 돌아오면 인체에 무해한 전자기 방사선의 형태로 에너지를 방출하고, 이를 기계가 측정합니다. 그런 다음 기계는 측정된 에너지를 신체 내 조직의 3차원 그림으로 변환합니다. 정신 생리학 연구에서 이 이미지는 여러 그룹의 구조 크기를 비교하거나(예: 우울증 환자의 경우 쾌락과 관련된 영역이 더 작은가?) 기능적 자기공명영상(fMRI)으로 측정한 공간 위치의 정확도를 높이는 데 사용될 수 있습니다.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) is a method that is used to assess changes in activity of tissue, such as measuring changes in neural activity in different areas of the brain during thought. This technique builds on the principles of sMRI and also uses the property that, when neurons fire, they use energy, which must be replenished. Glucose and oxygen, two key components for energy production, are supplied to the brain from the blood stream as needed. Oxygen is transported through the blood using hemoglobin, which contains binding sites for oxygen. When these sites are saturated with oxygen, it is referred to as oxygenated hemoglobin. When the oxygen molecules have all been released from a hemoglobin molecule, it is known as deoxygenated hemoglobin. As a set of neurons begin firing, oxygen in the blood surrounding those neurons is consumed, leading to a reduction in oxygenated hemoglobin. The body then compensates and provides an abundance of oxygenated hemoglobin in the blood surrounding that activated neural tissue. When activity in that neural tissue declines, the level of oxygenated hemoglobin slowly returns to its original level, which typically takes several seconds.

기능적 자기 공명 기록법(fMRI)은 생각하는 동안 뇌의 여러 영역에서 신경 활동의 변화를 측정하는 등 조직 활동의 변화를 평가하는 데 사용되는 방법입니다. 이 기술은 sMRI의 원리를 기반으로 하며, 뉴런이 발화할 때 에너지를 사용하므로 반드시 보충해야 한다는 특성을 이용합니다. 에너지 생산의 두 가지 핵심 구성 요소인 포도당과 산소는 필요에 따라 혈류에서 뇌로 공급됩니다. 산소는 산소 결합 부위를 포함하는 헤모글로빈을 사용하여 혈액을 통해 운반됩니다. 이러한 부위가 산소로 포화되면 이를 산화헤모글로빈 이라고 합니다. 헤모글로빈 분자에서 산소 분자가 모두 방출되면 이를 탈산화 헤모글로빈이라고 합니다. 일련의 뉴런이 발화하기 시작하면 해당 뉴런을 둘러싼 혈액의 산소가 소비되어 산화헤모글로빈이 감소합니다. 그러면 신체는 이를 보상하여 활성화된 신경 조직을 둘러싼 혈액에 산화헤모글로빈을 풍부하게 공급합니다. 신경 조직의 활동이 감소하면 산화헤모글로빈 수치가 천천히 원래 수준으로 돌아오는데, 보통 몇 초가 걸립니다.

fMRI measures the change in the concentration of oxygenated hemoglobin, which is known as the blood-oxygen-level-dependent (BOLD) signal. This leads to two important facts about fMRI. First, fMRI measures blood volume and blood flow, and from this we infer neural activity; fMRI does not measure neural activity directly. Second, fMRI data typically have poor temporal resolution (the precision of measurement with respect to time); however, when combined with sMRI, fMRI provides excellent spatial resolution (the ability to distinguish one object from another in space). Temporal resolution for fMRI is typically on the order of seconds, whereas its spatial resolution is on the order of millimeters. Under most conditions there is an inverse relationship between temporal and spatial resolution—one can increase temporal resolution at the expense of spatial resolution and vice versa.

fMRI는 혈류 산소 수준(BOLD)의 신호로 알려진 산화헤모글로빈의 농도 변화를 측정합니다. 이는 fMRI에 대한 두 가지 중요한 사실로 이어집니다. 첫째, fMRI는 혈액량과 혈류를 측정하고 이를 통해 신경 활동을 유추하지만, 신경 활동을 직접 측정하지는 않습니다. 둘째, fMRI 데이터는 일반적으로 시간 해상도(시간에 대한 측정의 정밀도)가 낮지만, sMRI와 결합하면 공간 해상도(공간에서 한 물체를 다른 물체와 구별하는 능력)가 뛰어납니다. fMRI의 시간 해상도는 일반적으로 초 단위인 반면, 공간 해상도는 밀리미터 단위입니다. 대부분의 조건에서 시간 해상도와 공간 해상도 사이에는 반비례 관계가 존재하며, 공간 해상도를 희생하여 시간 해상도를 높일 수 있고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

This method is valuable for identifying specific areas of the brain that are associated with different physical or psychological tasks. Clinically, fMRI may be used prior to neurosurgery in order to identify areas that are associated with language so that the surgeon can avoid those areas during the operation. fMRI allows researchers to identify differential or convergent patterns of activation associated with tasks. For example, if participants are shown words on a screen and are expected to indicate the color of the letters, are the same brain areas recruited for this task if the words have emotional content or not? Does this relationship change in psychological disorders such as anxiety or depression? Is there a different pattern of activation even in the absence of overt performance differences? fMRI is an excellent tool for comparing brain activation in different tasks and/or populations. Figure 1 provides an example of results from fMRI analyses overlaid on an sMRI image. The blue and orange shapes represent areas with significant changes in the BOLD signal, thus changes in neural activation.

이 방법은 다양한 신체적 또는 심리적 작업과 관련된 뇌의 특정 영역을 식별하는 데 유용합니다. 임상적으로, 신경외과 수술 전에 언어와 관련된 영역을 식별하여 외과의가 수술 중에 해당 영역을 피할 수 있도록 하기 위해 fMRI를 사용할 수 있습니다. fMRI는 연구자들이 과제와 관련된 활성화의 차별적 또는 수렴적 패턴을 식별할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 참가자에게 화면에 단어가 표시되고 글자의 색을 표시해야 하는 경우, 단어에 감정적인 내용이 포함되어 있는 경우와 그렇지 않은 경우 동일한 뇌 영역이 이 과제를 위해 모집될까요? 불안이나 우울증과 같은 심리적 장애가 있는 경우 이러한 관계가 달라지나요? 확실한 점수 차이가 없는 경우에도 활성화 패턴이 다른가? fMRI는 다양한 과제 및/또는 집단에서 두뇌 활성화를 비교하는 데 탁월한 도구입니다. 그림 1은 sMRI 이미지에 오버레이된 fMRI 분석 결과의 예시입니다. 파란색과 주황색 모양은 BOLD 신호에 큰 변화가 있는 영역, 즉 신경 활성화의 변화를 나타냅니다.

Electroencephalography (EEG) is another technique for studying brain activation. This technique uses at least two and sometimes up to 256 electrodes to measure the difference in electrical charge (the voltage) between pairs of points on the head. These electrodes are typically fastened to a flexible cap (similar to a swimming cap) that is placed on the participant’s head. From the scalp, the electrodes measure the electrical activity that is naturally occurring within the brain. They do not introduce any new electrical activity. In contrast to fMRI, EEG measures neural activity directly, rather than a correlate of that activity.

뇌파 전위 기록술(EEG)는 뇌 활성화를 연구하는 또 다른 기술입니다. 이 기술은 최소 2개, 때로는 최대 256개의 전극을 사용하여 머리의 한 쌍의 지점 사이의 전하 차이(전압)를 측정합니다. 이러한 전극은 일반적으로 참가자의 머리에 착용하는 유연한 캡(수영모와 유사)에 고정됩니다. 두피에서 전극은 뇌에서 자연적으로 발생하는 전기 활동을 측정합니다. 새로운 전기 활동을 유발하지 않습니다. fMRI와 달리 뇌파는 신경 활동의 상관관계가 아닌 신경 활동을 직접 측정합니다.

Electrodes used in EEG can also be placed within the skull, resting directly on the brain itself. This application, called electrocorticography (ECoG), is typically used prior to medical procedures for localizing activity, such as the origin of epileptic seizures. This invasive procedure allows for more precise localization of neural activity, which is essential in medical applications. However, it is generally not justifiable to open a person’s skull solely for research purposes, and instead electrodes are placed on the participant’s scalp, resulting in a noninvasive technique for measuring neural activity.

뇌파에 사용되는 전극은 두개골 내에 배치하여 뇌 자체에 직접 놓을 수도 있습니다. 겉질뇌파검사(ECoG)라고 하는 이 애플리케이션은 일반적으로 간질 발작의 원인과 같은 활동을 국소화하기 위한 의료 시술 전에 사용됩니다. 이 침습적인 절차를 통해 신경 활동을 보다 정밀하게 파악할 수 있으며, 이는 의료 분야에서 필수적인 요소입니다. 그러나 일반적으로 연구 목적으로만 사람의 두개골을 여는 것은 정당화될 수 없으며, 대신 참가자의 두피에 전극을 배치하여 신경 활동을 측정하는 비침습적 기술을 사용합니다.

Given that this electrical activity must travel through the skull and scalp before reaching the electrodes, localization of activity is less precise when measuring from the scalp, but it can still be within several millimeters when localizing activity that is near the scalp. One major advantage of EEG is its temporal resolution. Data can be recorded thousands of times per second, allowing researchers to document events that happen in less than a millisecond. EEG analyses typically investigate the change in amplitude or frequency components of the recorded EEG on an ongoing basis or averaged over dozens of trials (see Figure 2).

이러한 전기 활동은 전극에 도달하기 전에 두개골과 두피를 통과해야 하기 때문에 두피에서 측정할 때는 활동의 위치가 정확하지 않지만, 두피 근처에서 활동의 위치를 파악할 때는 수 밀리미터 이내의 정확도를 유지할 수 있습니다. 뇌파의 주요 장점 중 하나는 시간 해상도입니다. 초당 수천 번 데이터를 기록할 수 있으므로 연구자는 밀리초 이내에 발생하는 이벤트를 문서화할 수 있습니다. 뇌파 분석은 일반적으로 기록된 뇌파의 진폭 또는 주파수 성분의 변화를 지속적으로 또는 수십 번의 실험에 걸쳐 평균을 내어 조사합니다(그림 2 참조).

Magnetoencephalography (MEG) is another technique for noninvasively measuring neural activity. The flow of electrical charge (the current) associated with neural activity produces very weak magnetic fields that can be detected by sensors placed near the participant’s scalp. The number of sensors used varies from a few to several hundred. Due to the fact that the magnetic fields of interest are so small, special rooms that are shielded from magnetic fields in the environment are needed in order to avoid contamination of the signal being measured. MEG has the same excellent temporal resolution as EEG. Additionally, MEG is not as susceptible to distortions from the skull and scalp. Magnetic fields are able to pass through the hard and soft tissue relatively unchanged, thus providing better spatial resolution than EEG. MEG analytic strategies are nearly identical to those used in EEG. However, the MEG recording apparatus is much more expensive than EEG, so MEG is much less widely available.

자기 뇌파 검사(MEG)는 비침습적으로 신경 활동을 측정하는 또 다른 기술입니다. 신경 활동과 관련된 전하(전류)의 흐름은 참가자의 두피 근처에 배치된 센서가 감지할 수 있는 매우 약한 자기장을 생성합니다. 사용되는 센서의 수는 몇 개에서 수백 개까지 다양합니다. 측정하려는 자기장이 매우 작기 때문에 측정되는 신호의 오염을 방지하기 위해 주변 환경의 자기장으로부터 차폐된 특수 공간이 필요합니다. MEG는 뇌파와 마찬가지로 시간 해상도가 뛰어납니다. 또한 MEG는 두개골과 두피에 의한 왜곡에 영향을 받지 않습니다. 자기장은 경조직과 연조직을 비교적 변함없이 통과할 수 있으므로 EEG보다 공간 해상도가 더 뛰어납니다. MEG 분석 전략은 뇌파에서 사용되는 전략과 거의 동일합니다. 그러나 MEG 기록 장치는 뇌파보다 훨씬 비싸기 때문에 MEG는 널리 사용되지 않습니다.

EEG and MEG are both excellent for elucidating the temporal dynamics of neural processes. For example, if someone is reading a sentence that ends with an unexpected word (e.g., Michelle is going outside to water the book), how long after he or she reads the unexpected word does he or she recognize this as unexpected? In addition to these types of questions, EEG and MEG methods allow researchers to investigate the degree to which different parts of the brain “talk” to each other. This allows for a better understanding of brain networks, such as their role in different tasks and how they may function abnormally in psychopathology.

뇌파와 MEG는 모두 신경 과정의 시간적 역학을 규명하는 데 탁월합니다. 예를 들어, 누군가가 예상치 못한 단어로 끝나는 문장(예: 미셸이 책에 물을 주러 밖에 나간다)을 읽는 경우, 예상치 못한 단어를 읽은 후 얼마나 시간이 지나야 이를 예상치 못한 것으로 인식할 수 있을까요? 이러한 유형의 질문 외에도 뇌파 및 MEG 방법을 통해 연구자들은 뇌의 여러 부분이 서로 "대화"하는 정도를 조사할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 작업에서 뇌의 역할과 정신병리에서 비정상적으로 기능하는 방식 등 뇌 네트워크를 더 잘 이해할 수 있습니다.

Positron emission tomography (PET) is a medical imaging technique that is used to measure processes in the body, including the brain. This method relies on a positron-emitting tracer atom that is introduced into the blood stream in a biologically active molecule, such as glucose, water, or ammonia. A positron is a particle much like an electron but with a positive charge. One example of a biologically active molecule is fludeoxyglucose, which acts similarly to glucose in the body. Fludeoxyglucose will concentrate in areas where glucose is needed—commonly areas with higher metabolic needs. Over time, this tracer molecule emits positrons, which are detected by a sensor. The spatial location of the tracer molecule in the brain can be determined based on the emitted positrons. This allows researchers to construct a three-dimensional image of the areas of the brain that have the highest metabolic needs, typically those that are most active. Images resulting from PET usually represent neural activity that has occurred over tens of minutes, which is very poor temporal resolution for some purposes. PET images are often combined with computed tomography (CT) images to improve spatial resolution, as fine as several millimeters. Tracers can also be incorporated into molecules that bind to neurotransmitter receptors, which allow researchers to answer some unique questions about the action of neurotransmitters. Unfortunately, very few research centers have the equipment required to obtain the images or the special equipment needed to create the positron-emitting tracer molecules, which typically need to be produced on site.

양전자 방출 단층 촬영(PET)은 뇌를 포함한 신체의 과정을 측정하는 데 사용되는 의료 영상 기술입니다. 이 방법은 포도당, 물 또는 암모니아와 같은 생물학적 활성 분자의 혈류에 도입되는 양전자 방출 추적 원자에 의존합니다. 양전자는 전자와 매우 유사하지만 양전하를 띠는 입자입니다. 생물학적 활성 분자의 한 예로 플루디옥시글루코스가 있는데, 이는 체내에서 포도당과 유사하게 작용합니다. 플루디옥시글루코스는 포도당이 필요한 부위, 즉 일반적으로 신진대사가 많이 필요한 부위에 집중됩니다. 시간이 지남에 따라 이 추적 분자는 센서에 의해 감지되는 양전자를 방출합니다. 뇌에서 추적 분자의 공간적 위치는 방출된 양전자를 기반으로 결정될 수 있습니다. 이를 통해 연구자들은 대사가 가장 많이 필요한 뇌 영역, 일반적으로 가장 활동적인 뇌 영역의 3차원 이미지를 구축할 수 있습니다. PET로 얻은 이미지는 일반적으로 수십 분 동안 발생한 신경 활동을 나타내므로 일부 목적에서는 시간 해상도가 매우 낮습니다. PET 이미지는 종종 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지와 결합하여 공간 해상도를 수 밀리미터까지 미세하게 개선합니다. 추적자는 또한 신경전달물질 수용체에 결합하는 분자에 통합될 수 있으며, 이를 통해 연구자들은 신경전달물질의 작용에 대한 몇 가지 독특한 질문에 답할 수 있습니다. 안타깝게도 이미지를 얻는 데 필요한 장비나 양전자 방출 추적 분자를 만드는 데 필요한 특수 장비를 갖춘 연구 센터는 거의 없기 때문에 일반적으로 현장에서 생산해야 합니다.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a noninvasive method that causes depolarization or hyperpolarization in neurons near the scalp. This method is not considered psychophysiological because the independent variable is physiological, rather than the dependent. However, it does qualify as a neuroscience method because it deals with the function of the nervous system, and it can readily be combined with conventional psychophysiological methods. In TMS, a coil of wire is placed just above the participant’s scalp. When electricity flows through the coil, it produces a magnetic field. This magnetic field travels through the skull and scalp and affects neurons near the surface of the brain. When the magnetic field is rapidly turned on and off, a current is induced in the neurons, leading to depolarization or hyperpolarization, depending on the number of magnetic field pulses. Single- or paired-pulse TMS depolarizes site-specific neurons in the cortex, causing them to fire. If this method is used over primary motor cortex, it can produce or block muscle activity, such as inducing a finger twitch or preventing someone from pressing a button. If used over primary visual cortex, it can produce sensations of flashes of light or impair visual processes. This has proved to be a valuable tool in studying the function and timing of specific processes such as the recognition of visual stimuli. Repetitive TMS produces effects that last longer than the initial stimulation. Depending on the intensity, coil orientation, and frequency, neural activity in the stimulated area may be either attenuated or amplified. Used in this manner, TMS is able to explore neural plasticity, which is the ability of connections between neurons to change. This has implications for treating psychological disorders as well as understanding long-term changes in neuronal excitability.

경두개 자기 자극(TMS)은 두피 근처의 신경세포에 탈분극 또는 과분극을 유발하는 비침습적 방법입니다. 이 방법은 독립 변수가 종속 변수가 아닌 생리적 변수이기 때문에 정신 생리학적인 방법으로 간주되지 않습니다. 그러나 신경계의 기능을 다루기 때문에 신경과학적 방법으로 간주할 수 있으며 기존의 정신생리학적 방법과 쉽게 결합할 수 있습니다. TMS에서는 참가자의 두피 바로 위에 와이어 코일을 배치합니다. 코일에 전기가 흐르면 자기장이 생성됩니다. 이 자기장은 두개골과 두피를 통과하여 뇌 표면 근처의 뉴런에 영향을 미칩니다. 자기장을 빠르게 켜고 끄면 뉴런에 전류가 유도되어 자기장 펄스의 수에 따라 탈분극 또는 과분극으로 이어집니다. 단일 또는 쌍 펄스 TMS는 피질의 부위별 뉴런을 탈분극시켜 뉴런이 발화하도록 합니다. 이 방법을 일차 운동 피질에 사용하면 손가락 경련을 유도하거나 버튼을 누르는 것을 방지하는 등 근육 활동을 생성하거나 차단할 수 있습니다. 일차 시각 피질에 사용하면 빛이 번쩍이는 감각을 유발하거나 시각적 과정을 손상시킬 수 있습니다. 이는 시각 자극 인식과 같은 특정 프로세스의 기능과 타이밍을 연구하는 데 유용한 도구로 입증되었습니다. 반복적인 TMS는 초기 자극보다 더 오래 지속되는 효과를 만들어냅니다. 강도, 코일 방향 및 주파수에 따라 자극된 영역의 신경 활동이 감쇠되거나 증폭될 수 있습니다. 이러한 방식으로 TMS를 사용하면 뉴런 간의 연결이 변화하는 능력인 신경 가소성을 탐색할 수 있습니다. 이는 신경 흥분성의 장기적인 변화를 이해하는 것뿐만 아니라 심리적 장애를 치료하는 데에도 영향을 미칩니다.

말초 신경

The psychophysiological methods discussed above focus on the central nervous system. Considerable research has also focused on the peripheral nervous system. These methods include skin conductance, cardiovascular responses, muscle activity, pupil diameter, eye blinks, and eye movements. Skin conductance, for example, measures the electrical conductance (the inverse of resistance) between two points on the skin, which varies with the level of moisture. Sweat glands are responsible for this moisture and are controlled by the sympathetic nervous system (SNS). Increases in skin conductance can be associated with changes in psychological activity. For example, studying skin conductance allows a researcher to investigate whether psychopaths react to fearful pictures in a normal way. Skin conductance provides relatively poor temporal resolution, with the entire response typically taking several seconds to emerge and resolve. However, it is an easy way to measure SNS response to a variety of stimuli.

위에서 설명한 정신생리학적 방법은 중추신경계에 초점을 맞추고 있습니다. 말초 신경계에 대한 연구도 상당수 진행되었습니다. 이러한 방법에는 피부 전도도, 심혈관 반응, 근육 활동, 동공 직경, 눈 깜박임 및 안구 운동이 포함됩니다. 예를 들어 피부 전도도는 피부의 두 지점 사이의 전기 전도도(저항의 반대)를 측정하는 것으로, 피부 전도도는 수분 수준에 따라 달라집니다. 땀샘은 이 수분을 담당하며 교감 신경계(SNS)에 의해 제어됩니다. 피부 전도도의 증가는 심리적 활동의 변화와 관련이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 연구자는 피부 전도도를 연구하여 사이코패스가 공포스러운 사진에 정상적인 방식으로 반응하는지 여부를 조사할 수 있습니다. 피부 전도도는 상대적으로 낮은 시간 해상도를 제공하며, 전체 반응이 나타나고 사라지는 데 일반적으로 몇 초가 걸립니다. 하지만 다양한 자극에 대한 SNS 반응을 쉽게 측정할 수 있는 방법입니다.

Cardiovascular measures include heart rate, heart rate variability, and blood pressure. The heart is innervated by the parasympathetic nervous system (PNS) and SNS. Input from the PNS decreases heart rate and contractile strength, whereas input from the SNS increases heart rate and contractile strength. Heart rate can easily be monitored using a minimum of two electrodes and is measured by counting the number of heartbeats in a given time period, such as one minute, or by assessing the time between successive heartbeats. Psychological activity can prompt increases and decreases in heart rate, often in less than a second, making heart rate a sensitive measure of cognition. Measures of heart rate variability are concerned with consistency in the time interval between heartbeats. Changes in heart rate variability are associated with stress as well as psychiatric conditions. Figure 3 is an example of an electrocardiogram, which is used to measure heart rate and heart rate variability. These cardiovascular measures allow researchers to monitor SNS and PNS reactivity to various stimuli or situations. For example, when an arachnophobe views pictures of spiders, does their heart rate increase more than that of a person not afraid of spiders?

심혈관 측정에는 심박수, 심박 변이도 및 혈압이 포함됩니다. 심장은 부교감 신경계(PNS)와 중추 신경계(SNS)에 의해 자극을 받습니다. 부교감 신경계로부터의 입력은 심박수와 수축 강도를 감소시키는 반면, SNS로부터의 입력은 심박수와 수축 강도를 증가시킵니다. 심박수는 최소 두 개의 전극을 사용하여 쉽게 모니터링할 수 있으며, 1분과 같이 주어진 시간 동안의 심장 박동 수를 세거나 연속적인 심장 박동 사이의 시간을 평가하여 측정할 수 있습니다. 심리적 활동으로 인해 심박수가 1초 이내에 증가하거나 감소할 수 있으므로 심박수는 인지의 민감한 척도가 됩니다. 심박 변이도 측정은 심장 박동 사이의 시간 간격의 일관성과 관련이 있습니다. 심박 변이도의 변화는 스트레스 및 정신과적 상태와 관련이 있습니다. 그림 3은 심박수 및 심박 변이도를 측정하는 데 사용되는 심전도의 예입니다. 이러한 심혈관 측정을 통해 연구자들은 다양한 자극이나 상황에 대한 SNS 및 PNS 반응성을 모니터링할 수 있습니다. 예를 들어 거미공포증이 있는 사람이 거미 사진을 볼 때 거미를 두려워하지 않는 사람보다 심박수가 더 많이 증가하는지를 말이죠.

Electromyography (EMG) measures electrical activity produced by skeletal muscles. Similar to EEG, EMG measures the voltage between two points. This technique can be used to determine when a participant first initiates muscle activity to engage in a motor response to a stimulus or the degree to which a participant begins to engage in an incorrect response (such as pressing the wrong button), even if it is never visibly executed. It has also been used in emotion research to identify activity in muscles that are used to produce smiles and frowns. Using EMG, it is possible to detect very small facial movements that are not observable from looking at the face. The temporal resolution of EMG is similar to that of EEG and MEG.

근전도(EMG)는 골격근에서 생성되는 전기 활동을 측정합니다. 뇌파와 마찬가지로 근전도 역시 두 지점 사이의 전압을 측정합니다. 이 기술은 참가자가 자극에 대한 운동 반응을 위해 근육 활동을 처음 시작하는 시점이나 잘못된 반응(예: 잘못된 버튼을 누르는 것)이 눈에 보이게 실행되지 않더라도 참가자가 잘못된 반응을 시작하는 정도를 파악하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 미소와 찡그림을 짓는 데 사용되는 근육의 활동을 파악하기 위한 감정 연구에도 사용되었습니다. EMG를 사용하면 얼굴을 보는 것만으로는 관찰할 수 없는 아주 작은 얼굴 움직임도 감지할 수 있습니다. EMG의 시간 해상도는 EEG 및 MEG와 유사합니다.

Valuable information can also be gleaned from eye blinks, eye movements, and pupil diameter. Eye blinks are most often assessed using EMG electrodes placed just below the eyelid, but electrical activity associated directly with eye blinks or eye movements can be measured with electrodes placed on the face near the eyes, because there is voltage across the entire eyeball. Another option for the measurement of eye movement is a camera used to record video of an eye. This video method is particularly valuable when determination of absolute direction of gaze (not just change in direction of gaze) is of interest, such as when the eyes scan a picture. With the help of a calibration period in which a participant looks at multiple, known targets, eye position is then extracted from each video frame during the main task and compared with data from the calibration phase, allowing researchers to identify the sequence, direction, and duration of gaze fixations. For example, when viewing pleasant or unpleasant images, people spend different amounts of time looking at the most arousing parts. This, in turn, can vary as a function of psychopathology. Additionally, the diameter of a participant’s pupil can be measured and recorded over time from the video record. As with heart rate, pupil diameter is controlled by competing inputs from the SNS and PNS. Pupil diameter is commonly used as an index of mental effort when performing a task.

눈 깜박임, 안구 운동, 동공 직경에서도 귀중한 정보를 얻을 수 있습니다. 눈 깜박임은 눈꺼풀 바로 아래에 배치한 근전도 전극을 사용하여 평가하는 경우가 가장 많지만, 안구 전체에 전압이 흐르기 때문에 눈 깜박임이나 눈 움직임과 직접 관련된 전기 활동은 눈 근처 얼굴에 배치한 전극으로 측정할 수 있습니다. 안구 운동을 측정하는 또 다른 옵션은 눈의 비디오를 녹화하는 데 사용되는 카메라입니다. 이 비디오 방법은 시선이 사진을 스캔할 때와 같이 시선의 방향 변화가 아닌 절대적인 시선 방향을 파악해야 할 때 특히 유용합니다. 참가자가 알려진 여러 타겟을 바라보는 보정 기간을 거친 후, 본 작업 동안 각 비디오 프레임에서 눈의 위치를 추출하고 보정 단계의 데이터와 비교하여 연구자가 시선 고정의 순서, 방향, 지속 시간을 파악할 수 있습니다. 예를 들어, 사람들은 유쾌한 이미지와 불쾌한 이미지를 볼 때 가장 자극적인 부분을 보는 데 보내는 시간이 다릅니다. 이는 다시 정신 병리의 기능에 따라 달라질 수 있습니다. 또한 참가자의 동공 직경을 측정하고 비디오 기록에서 시간 경과에 따라 기록할 수 있습니다. 심박수와 마찬가지로 동공 직경은 SNS와 PNS의 경쟁 입력에 의해 제어됩니다. 동공 직경은 일반적으로 작업을 수행할 때 정신적 노력의 지표로 사용됩니다.

언제 무엇을 사용해야 할까요?

As the reader, you may be wondering, how do I know what tool is right for a given question? Generally, there are no definitive answers. If you wanted to know the temperature in the morning, would you check your phone? Look outside to see how warm it looks? Ask your roommate what he or she is wearing today? Look to see what other people are wearing? There is not a single way to answer the question. The same is true for research questions. However, there are some guidelines that one can consider. For example, if you are interested in what brain structures are associated with cognitive control, you wouldn’t use peripheral nervous system measures. A technique such as fMRI or PET might be more appropriate. If you are interested in how cognitive control unfolds over time, EEG or MEG would be a good choice. If you are interested in studying the bodily response to fear in different groups of people, peripheral nervous system measures might be most appropriate. The key to deciding what method is most appropriate is properly defining the question that you are trying to answer. What aspects are most interesting? Do you care about identifying the most relevant brain structures? Temporal dynamics? Bodily responses? Then, it is important to think about the strengths and weaknesses of the different psychophysiological measures and pick one, or several, whose attributes work best for the question at hand. In fact, it is common to record several at once.

독자로서 어떤 도구가 주어진 질문에 적합한지 어떻게 알 수 있는지 궁금할 것입니다. 일반적으로 정답은 없습니다. 아침 기온이 궁금하다면 휴대폰을 확인하시겠습니까? 밖이 얼마나 따뜻한지 확인하기 위해 밖을 보시나요? 룸메이트에게 오늘 무엇을 입고 있는지 물어보시나요? 다른 사람들이 무엇을 입고 있는지 살펴볼까요? 이 질문에 답할 수 있는 단 하나의 방법은 없습니다. 연구 질문도 마찬가지입니다. 하지만 고려할 수 있는 몇 가지 가이드라인이 있습니다. 예를 들어, 인지 조절과 관련된 뇌 구조에 관심이 있다면 말초 신경계 측정은 사용하지 않을 것입니다. fMRI 또는 PET와 같은 기술이 더 적합할 수 있습니다. 인지 제어가 시간이 지남에 따라 어떻게 전개되는지에 관심이 있다면 뇌파 또는 MEG가 좋은 선택이 될 것입니다. 다양한 그룹의 사람들의 공포에 대한 신체 반응을 연구하는 데 관심이 있다면 말초 신경계 측정이 가장 적합할 수 있습니다. 어떤 방법이 가장 적절한지 결정하는 열쇠는 답하고자 하는 질문을 올바르게 정의하는 것입니다. 어떤 측면이 가장 흥미롭나요? 가장 관련성이 높은 뇌 구조를 파악하는 데 관심이 있나요? 시간적 역학? 신체적 반응? 그런 다음 다양한 심리 생리학적 측정의 장단점을 생각해보고 당면한 질문에 가장 적합한 속성을 가진 하나 또는 여러 가지를 선택하는 것이 중요합니다. 실제로 한 번에 여러 가지를 기록하는 것이 일반적입니다.

결론

The outline of psychophysiological methods above provides a glimpse into the exciting techniques that are available to researchers studying a broad range of topics from clinical to social to cognitive psychology. Some of the most interesting psychophysiological studies use several methods, such as in sleep assessments or multimodal neuroimaging. Psychophysiological methods have applications outside of mainstream psychology in areas where psychological phenomena are central, such as economics, health-related decision making, and brain–computer interfaces. Examples of applications for each method are provided above, but this list is by no means exhaustive. Furthermore, the field is continually evolving, with new methods and new applications being developed. The wide variety of methods and applications provide virtually limitless possibilities for researchers.

위의 정신생리학적 방법의 개요를 통해 임상에서 사회, 인지 심리학에 이르기까지 광범위한 주제를 연구하는 연구자들이 사용할 수 있는 흥미로운 기법을 엿볼 수 있습니다. 가장 흥미로운 정신생리학적 연구 중 일부는 수면 평가나 멀티모델 뉴로이미징과 같은 여러 가지 방법을 사용합니다. 심리생리학적 방법은 경제학, 건강 관련 의사 결정, 뇌-컴퓨터 인터페이스와 같이 심리 현상이 중심이 되는 분야에서 주류 심리학을 벗어난 응용 분야를 가지고 있습니다. 각 방법의 적용 사례는 위에 나와 있지만, 이 목록이 결코 완전한 것은 아닙니다. 또한 이 분야는 새로운 방법과 새로운 애플리케이션이 개발되면서 지속적으로 진화하고 있습니다. 다양한 방법과 애플리케이션은 연구자에게 사실상 무한한 가능성을 제공합니다.