The Role of Neurofeedback in Audiology: A Review of Current Evidence and Future Directions

뉴로피드백의 기본 원리

뉴로피드백의 기본 원리는 뇌의 신경 활동 신호를 실시간으로 측정하여 사용자에게 즉각적인 피드백을 제공함으로써 사용자가 특정 뇌파 패턴을 의도적으로 강화하거나 억제하도록 훈련시키는 것이다. 이 과정은 크게 다섯 단계로 구분된다(Figure 1).

Figure 1.

Neurofeedback system. A schematic diagram illustrating the overall operation of a neurofeedback system structured into five stages. Adapted from Enriquez-Geppert et al. 2017. EEG: electroencephalography, MEG: magnetoencephalography, MRI: magnetic resonance imaging, NIRS: near-infrared spectroscop, NF: neurofeedback.

뉴로피드백의 적용 분야

뉴로피드백은 환자의 뇌파 활동을 실시간으로 측정하여 본인의 뇌 기능을 능동적으로 조절하도록 유도함으로써 기존의 약물 치료나 행동 치료의 한계를 보완할 수 있는 치료적 접근법으로 각광받고 있다. 최근 보고된 연구 결과를 바탕으로 임상적 효용성과 적용 가능성을 탐색하고자 한다.

뉴로피드백의 청각 분야

뉴로피드백은 청능 재활과 이명(tinnitus)과 같은 청각 관련 분야에서도 그 활용이 점차 확대되고 있으며 관련 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 특히 뉴로피드백은 기존의 약물적 또는 보청기 중심의 치료 접근과는 차별화되는 환자의 중추적 신경 활동 조절을 통해 청각적 문제를 개선하는 방법으로 각광받고 있다. 최근 논문들을 바탕으로 뉴로피드백이 청각 재활 분야에서 어떠한 방식으로 임상적으로 적용되어 왔는지를 체계적으로 살펴보고 향후 연구의 방향성 및 임상 적용 가능성을 논의하고자 한다.

선행 연구들에 따르면 이명 환자 집단에서는 자발적 신경 활동의 변화가 일관되게 관찰되었으며 특히 델타파(0.5~4 Hz)의 증가와 알파파(8.5~12 Hz)의 감소로 특징적인 뇌파 패턴이 보고되었다(Adjamian et al., 2009; Ashton et al., 2007; Kahlbrock & Weisz, 2008; Weisz et al., 2005). 이러한 신경생리학적 패턴은 청각 입력의 부족으로 인해 시상의 신경섬유에서 자발적 발화(spontaneous firing)가 증가하고 동시에 피질 수준에서 측면 억제(lateral inhibition)가 저하된 결과로 해석되고 있다(De Ridder et al., 2015; Weisz et al., 2007). 즉, 이명은 중추 청각 피질의 억제 기능 저하에 의해 유발되는 신경망의 불균형을 반영하는 것으로 해석되며 이는 뉴로피드백과 같은 신경 조절 기반 치료법의 적용 타깃을 설정하는 데 있어 중요한 이론적 근거를 제공하였다. 이러한 신경학적 기전을 바탕으로 Hartmann et al.(2014) 이명(tinnitus) 환자에서 청각 영역의 억제-흥분 불균형(excitatory-inhibitory imbalance) 회복을 목표로 하는 중재법으로서 뉴로피드백(neurofeedback)의 적용 가능성에 대해서 연구하였다. 특히 이명 환자에게서 흔히 관찰되는 청각 피질의 알파파(alpha power) 감소 현상은 중추신경계 내 억제 기능의 손상을 반영하는 생리적 지표로 간주되며 이를 타겟하는 뉴로피드백 치료 방법을 적용하였다. 실험은 뉴로피드백 그룹(n = 8)과 repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS) 그룹(n = 9)을 대상으로 중재 전후 휴지기 상태의 MEG를 측정하였다. 그 결과 뉴로피드백 훈련은 청각 영역, 특히 우측 청각 피질에서 국소적으로 알파파 전력을 유의하게 증가시켰으며 이에 따라 이명 증상 또한 유의하게 감소하는 것으로 나타났다. 반면 rTMS 그룹에서는 유사한 효과가 관찰되지 않았다. 결과적으로 청각 피질의 특정 부위에서 알파파 활성화를 목표로 한 뉴로피드백 훈련이 가능하다는 점을 MEG 기반의 신경생리학적 데이터로 처음 입증한 사례로 이명에 수반된 중추 억제 기능의 회복이라는 치료적 목표에 있어 뉴로피드백이 기존의 rTMS보다 더 정밀하고 국소화된 중재 전략이 될 수 있음을 시사하였다. 이후 Milner et al.(2016) 연구를 통해 만성 이명 환자를 대상으로 한 느린피질전위(slow cortical potential, SCP) 뉴로피드백 훈련의 효과를 보고하였다. 연구 대상은 만성 이명을 호소하는 50세 남성 환자 1명이며 그는 1개월 간격으로 총 3회에 걸친 SCP 뉴로피드백 훈련 참여하였다. SCP 뉴로피드백은 전두엽 및 관련 피질 영역의 느린 전위 변화를 자발적으로 조절하도록 훈련하는 기법으로 대개 1 Hz 이하의 매우 저주파 대역에서 뇌의 흥분성과 억제성 균형을 조절하는 데 사용되었다. 환자는 뉴로피드백 훈련을 통해 환자가 자신의 피질 흥분 수준을 의식적으로 제어할 수 있도록 훈련되었으며 세션 후 이명 자각 강도(크기 및 고음성)가 감소하고 일상생활의 삶의 질이 개선되었다고 보고되었다. 또한 정량적 뇌파 분석 결과에 따르면 훈련 전과 비교하여 이명과 관련된 피질 영역(청각 피질 및 주의 조절 네트워크)에서 안정된 휴지기 뇌파 패턴으로의 회복이 관찰되었으며 이는 병리적 생체전기 활동의 정상화 가능성을 시사하였다. 특히 고주파 영역의 과도한 활성 감소와 저주파 대역의 안정화는 SCP 뉴로피드백이 이명 생성에 관여하는 중추신경계 회로의 기능적 균형 회복에 기여할 수 있음을 보여주었다. Vanneste et al.(2018) 연구는 standardized low-resolution brain electromagnetic tomography 기반 소스 추정을 활용하여 총 58명의 이명 환자를 세 그룹으로 나누어 뉴로피드백 훈련을 실시하였다. 첫 번째 그룹(n = 23)은 후방 대상피질(posterior cingulate cortex)을 타겟으로 하여 알파파 증강과 베타파 및 감마파 억제 훈련을 받았으며 두 번째 그룹(n = 17)은 동일한 주파수 훈련을 진행하되 설상회(lingual gyrus)를 타겟으로 뉴로피드백 훈련을 진행하였다. 마지막으로 세 번째 그룹(n = 18)은 통제군으로 설정하여 실험을 진행하였다. 그 결과 주관적 이명 고통(tinnitus distress)의 유의미한 감소는 후방 대상피질 뉴로피드백 그룹에서만 나타났으며 설상회 그룹과 통제군에서는 변화가 관찰되지 않았다. 특히 타겟 영역에서 개별 주파수 대역의 활동 변화는 유의하게 나타나지 않았으나 후방 대상피질영역 내에서 알파-베타 및 알파-감마 간 교차 주파수 결합(cross-frequency coupling)의 감소와 후방 대상피질영역과 고통 관련 신경망(distress network) 사이의 유의미한 연결성의 변화를 보였으며 이는 뉴로피드백이 특정 뇌 영역의 네트워크 조절을 통해 이명 고통을 완화시킬 수 있다는 중요한 신경생리학적 근거를 제공하였다. 최근 Jensen et al.(2023)은 앞선 선행 연구 결과와 관련하여 알파/델타 비율 조절 뉴로피드백이 이명 증상 완화에 있어 주파수 특이적인 효과를 가지는지를 검증하고 그 효과가 필수적 요소인지 여부를 평가하였다. 총 94명의 만성 이명 환자를 대상으로 알파/델타, 베타/세타 뉴로피드백, 그리고 비뉴로피드백 그룹으로 무작위 배정하여 4주간 훈련을 진행한 결과 두 뉴로피드백 그룹 모두 이명 강도(tinnitus magnitude index)의 유의미한 감소를 보였으나 알파/델타 그룹에서 보다 일관된 생리학적 반응과 이명 개선 효과가 관찰되었다. 이는 이명 치료에 있어서 정확한 신경생리학적 기전에 대한 연구와 효과적인 뉴로피드백 훈련 프로토콜에 대한 연구가 필요함을 시사하였다.

뉴로피드백이 이명 치료뿐만 아니라 청각 재활 분야에서 활발히 활용되고 있으며 특히 노인성 난청 그리고 정상 청력인을 대상으로 한 소음 속 말소리 인지 능력 향상에 대한 연구들이 진행되고 있다. 최근 Kim et al.(2024) 연구에 따르면 노인성 난청을 가진 고령자를 대상으로 뉴로피드백 훈련이 알파파 활성, 인지 기능, 그리고 말소리 지각에 미치는 영향을 검증하고자 하였다. 실험군(n = 28)은 주 2회, 회당 40분씩 총 16회의 뉴로피드백을 실시하였으며 대조군(n = 31)은 별도의 중재 없이 일상생활을 유지하였다. 훈련 후에는 정량뇌파검사, 한국판 간이정신상태검사, 숫자 따라 외우기 과제(digit span forward/digit span backward), 단어 및 문장 인지도 검사(word recognition score/sentence recognition score)를 시행하였다. 분석 결과 실험군은 대조군에 비해 좌측 전두엽의 알파파 활성 증가, 인지 기능 향상, 그리고 말소리 지각 능력의 유의미한 개선을 보였다. 이러한 결과는 뉴로피드백 훈련이 알파파 증진을 기반으로 한 인지 및 청각 재활의 효과적인 중재 도구가 될 수 있음을 시사하였다. 난청인 뿐만 아니라 정상 청력을 가진 성인을 대상으로 소음 환경에서의 청취(speech-in-noise, SiN) 상황에서 중요한 전략인 선택적 청각 주의(selective auditory attention)의 신경 기전을 규명하고 이를 뉴로피드백 기반으로 청각 주의 훈련 패러다임을 활용하여 주의 조절 능력을 향상시키는 연구들이 진행되고 있다(Kim et al., 2021; Shim et al., 2023). Kim et al.(2021)은 소음 환경에서의 말소리 이해(SiN) 수행과 관련된 청각 선택적 주의(attentional control)의 가변성에 주목하고 이를 향상시키기 위한 뉴로피드백 기반의 훈련 패러다임을 제안하였다. 본 연구에서는 남성과 여성 화자가 각각 “down”과 “up”이라는 단어를 반복적으로 발화하는 두 개의 경쟁 음성 스트림을 동시에 제시하고 피험자가 특정 화자의 음성에 선택적으로 주의를 기울이도록 훈련하였다. EEG 기반의 attention decoder는 “up”과 “down” 자극 각각에 대한 사전 정의된 청각 유발 반응 템플릿과 실시간 반응을 비교하여 각 시도(trial)의 주의 방향을 분류하였으며 이 분류 결과가 시각적 피드백으로 즉시 제공되었다. 4주간 총 4세션의 훈련 후 실험군은 훈련 자극에 대한 청각 유발 반응의 주의 조절이 향상되었을 뿐만 아니라 소음 속 말소리에 대한 대뇌 청각 피질 반응도 강화되었으며 사후 SiN 과제 수행 능력 또한 유의미하게 향상되었다. 반면 위약 그룹(placebo group)은 유사한 청각 주의 과제를 수행했으나 행동 정확도 기반의 피드백만 제공받았으며 뇌파 반응 및 과제 수행력에서 유의한 개선이 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 뉴로피드백 훈련이 대뇌 청각 유발 반응에서의 주의 조절력을 강화함으로써 소음 환경에서의 청취 이해 능력을 향상시킬 수 있음을 입증한다. 이후 Shim et al.(2023) 연구를 통해서 선행 연구에서는 제한점으로 논의되었던 뉴로피드백 훈련이 청각 선택 주의력 향상에 어떤 뇌 신경 메커니즘을 유도하는지를 규명하고자 하였다. EEG 기반의 시간-주파수 분석 결과 공간적 청각 주의가 집중될 때 전두-두정 네트워크(frontoparietal network)가 활성화되었으며 특히 베타파(beta oscillation)의 증가는 주의 기대에 따른 상향적(top-down) 처리가 강화되었음을 확인하였다. 청취자가 오른쪽 자극에 주의를 기울이는 조건에서 우측 두정엽의 알파파(alpha oscillation)가 초기 세션 대비 최종 세션에서 유의미하게 증가하였으며 이는 왼쪽 자극에 대한 공간 억제(spatial inhibition) 기능의 향상을 확인하였다. 또한 4주간의 뉴로피드백 훈련 후 측두엽(temporal cortex)에서는 청각 베타파에 대한 주의 조절력이 강화(attentional modulation of beta oscillation)가 되었고 자극에 대한 청각 유발 반응 자체의 주의 조절 강도 또한 향상되었다. 반면 행동 수행 정확도만을 기반으로 피드백을 제공받은 위약 그룹(placebo group)에서는 이러한 신경생리학적 변화가 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 뉴로피드백 훈련이 주의 조절 네트워크의 신경 메커니즘을 강화함으로써 청각 선택 주의와 관련된 하향식 처리 과정을 효과적으로 개선함을 증명하였다. 본 연구들은 뉴로피드백이 단순한 행동 훈련을 넘어서 청각 자극에 대한 피질 반응의 신경 조절 메커니즘을 직접 강화할 수 있음을 실증적으로 보여주며 이는 소음 환경에서의 말소리 이해력 향상을 위한 인지 청각 재활 전략으로서의 가능성을 시사하였다.

뉴로피드백 적용의 한계점

뉴로피드백은 다양한 신경정신과적 질환에 대한 보조적 중재로 점차 임상 적용이 확대되고 있으나 여전히 여러 한계와 제약이 존재한다.

우선 비표준화된 뉴로피드백 프로토콜과 이에 따른 개인별 적용 치료 결과의 다양성은 뉴로피드백의 임상적 활용에 있어 가장 근본적인 제약으로 지적된다. 최근 감각운동리듬(SMR) 뉴로피드백의 임상 효과에 대한 메타 분석 연구에 따르면(Ribeiro et al., 2023), 총 44편의 관련 논문이 분석 대상으로 포함되었으나 실제 메타 분석에 포함될 수 있었던 연구는 단 11편에 불과하였다. 이는 개별 연구들이 소규모 표본에 기반하고 있으며 평가 도구와 프로토콜(예: 주파수 설정, 채널 배치, 장비 사용 등)의 기준이 연구마다 상이하고 대조군 설정이나 실험 설계가 충분하지 않았기 때문이다. 이러한 비표준화는 임상적 유효성에 대한 결론 도출을 어렵게 만들며 연구진은 향후 보다 대규모이고 표준화된 연구 설계의 필요성을 강조하고 있다. 또한 Autenrieth et al.(2020) 연구에 따르면, SMR 뉴로피드백 훈련을 받은 참가자 중 약 15~30%만이 의미 있는 뇌파 변화와 임상적 개선을 보인 반응군(responders)으로 분류되었고 나머지는 별다른 반응을 보이지 않는 비반응군(non-responders)으로 나타났다. 특히 baseline 뇌파 특성에 따라 뉴로피드백의 반응 가능성이 달라질 수 있으며, 단기간 훈련만으로는 다수의 참가자가 SMR 리듬 조절을 습득하지 못한다는 점도 지적되었다. 또한 뉴로피드백은 특정한 뇌파 패턴을 조절하는 방식으로 작동하지만 이는 질환군 또는 환자 개인의 신경생리학적 특성에 따라 상이한 반응성을 보일 수 있다. 예를 들어 이명 환자의 경우 청각 피질에서의 알파파 저활성 상태를 강화하는 것이 목표가 되는 반면 노인성 난청 환자에서는 전두엽 기반의 인지 조절 기능을 강화하는 방향이 중심이 된다(Loriette et al., 2021; Wang et al., 2019). 따라서 뉴로피드백의 적용은 단일한 프로토콜이 아닌 질환 특성과 개별 뇌파 프로파일에 기반한 맞춤형 접근이 필요하다.

둘째, 비용 대비 효율성은 뉴로피드백의 임상 적용에 있어 현실적인 한계로 지적된다. Leem et al.(2021) 연구에 의하면 외상 후 스트레스 장애 환자를 대상으로 16회의 뉴로피드백 세션을 시행한 무작위 대조군 연구에서 치료 효과는 확인되었으나 총 치료 비용이 약 168만 원(달러 기준 약 $1,300)에 달하는 것으로 보고되었다. 이 연구는 뉴로피드백이 단기적으로는 비용-효과적인 개입이 될 수 있으나 장기적인 삶의 질 개선이나 경제적 효율성에 대한 실증적 자료는 여전히 부족하다고 평가하였다. 최근 연구에 의하면(Askovic et al., 2023) 뉴로피드백 치료는 일반적으로 20~40회 이상의 반복 세션을 필요로 하며 이러한 높은 치료 빈도와 장기적인 치료 기간은 일부 환자에게 신체적·심리적 부담으로 작용할 수 있다. 실제로 전체 중도 탈락률은 평균적으로 5% 미만으로 보고되었지만 반복적인 세션에 대한 환자의 순응도 저하가 치료 효과를 제한하는 주요 요인 중 하나로 지적되었다. 이는 경제적 비용뿐만 아니라 치료의 지속 가능성과 환자의 순응도를 고려하는 것이 뉴로피드백의 실질적인 임상 적용에 있어 필수적임을 시사한다.