🧬 biology

Reduced EEG Complexity and Its Association with Social Communication in Adults with Autism Spectrum Disorder: A Multiscale Entropy Study

본 연구는 자폐 스펙트럼 장애 성인이 일반 발달 대조군에 비해 감소된 장척도 EEG 복잡성을 보인다는 것을 입증하며, 이러한 결함은 사회적 정동 증상의 심각도와 상관관계가 있고 사회적 맥락과 비사회적 맥락 사이의 차별화가 약화된 양상을 보여준다.

원저자: Taiga Naoe, Yumi Shikauchi, Takashi Itahashi, Kosuke Tanaka, Tsukasa Okimura, Ryu-ichiro Hashimoto, Haruhisa Ohta, Yosuke Sato, Motoaki Nakamura

게시일 2026-09-23

📖 3 분 읽기☕ 가벼운 읽기

CC BY 4.0

원저자: Taiga Naoe, Yumi Shikauchi, Takashi Itahashi, Kosuke Tanaka, Tsukasa Okimura, Ryu-ichiro Hashimoto, Haruhisa Ohta, Yosuke Sato, Motoaki Nakamura

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ⚕️ 이것은 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트의 AI 생성 설명입니다. 의학적 조언이 아닙니다. 이 내용을 바탕으로 건강 관련 결정을 내리지 마세요. 전체 면책 조항 읽기

인간의 뇌는 정적인 기계가 아닙니다. 그것은 순간의 요구에 부응하기 위해 끊임없이 활동을 변화시키는 역동적인 시스템입니다. 특히 복잡하고 모호한 사회적 상호작용의 세계를 항해할 때, 뇌가 잘 기능하기 위해서는 일정 수준의 내부적 다양성이 필요합니다. 과학자들은 이 다양성을 '복잡성(complexity)'이라고 부릅니다. 이는 신경망이 유연한 사고와 적응을 가능하게 하는 다양하고 조직화된 활동 패턴을 생성할 수 있는 능력입니다. 이 복잡성이 떨어지면, 새로운 정보나 혼란스러운 정보를 처리하는 뇌의 능력이 경직될 수 있습니다. 이 개념은 사회적 의사소통과 상호작용의 어려움으로 정의되는 자폐 스펙트럼 장애를 연구하는 연구자들에게 초점이 되어 왔습니다. 이전 연구들은 자폐인의 뇌가 이러한 신경적 다양성을 덜 보여줄 수 있다는 점을 암시해 왔지만, 그 증거의 대부분은 영유아에게서 나온 것이었습니다. 이러한 패턴이 성인에게도 유효한지, 혹은 자폐의 특징인 일상적인 사회적 연결의 어려움과 구체적으로 어떻게 관련되어 있는지는 여전히 불분명했습니다.

쇼와 의과대학의 연구팀은 성인을 대상으로 이 질문을 탐구하기 위해 나섰습니다. 그들은 두 그룹, 즉 자폐 스펙트럼 장애 진단을 받은 성인 47명과 일반적인 발달을 보인 성인 40명의 뇌에서 발생하는 전기적 활동, 즉 뇌파(EEG)를 기록했습니다. 참가자들의 뇌가 다양한 상태에서 어떻게 행동하는지 포착하기 위해, 그들은 세 가지 뚜�된 조건을 거쳤습니다. 첫째, 눈을 감고 휴식을 취했습니다. 다음으로, 이야기가 없는, 천천히 변하는 모양과 색채로 채워진 짧고 추상적인 애니메이션을 시청했습니다. 마지막으로, 감정, 의도, 사회적 관계를 이해해야 하는 구름과 새에 관한 서사가 담긴 다른 애니메이션 영화를 시청했습니다. 연구진은 다양한 시간 척도에 걸쳐 계산된 신호 불규칙성의 특정 수학적 척도에 집중했습니다. 이 방법은 단순히 뇌가 활성화되어 있는지뿐만 아니라, 시간이 흐름에 따라 그 활동이 얼마나 복잡하고 유연한지를 보여주었습니다.

결과는 두 그룹 사이의 명확한 차이를 드러냈습니다. 휴식, 추상적 패턴 시청, 사회적 이야기 시청의 세 가지 조건 모두에서, 자폐 성인들은 일반적인 발달을 보인 성인들에 비해 긴 시간 척도에서 더 낮은 수준의 신경 복잡성을 보였습니다. 이는 몇 초간의 기간 동안 자폐 성인의 뇌 신호가 더 예측 가능하고 덜 다양했음을 의미합니다. 결정적으로, 이 차이는 단순히 집단의 일반적인 특성이 아니었습니다. 이는 사회적 어려움의 심각도와 직접적으로 연결되어 있었습니다. 연구진은 두 그룹 모두에서, 표준 임상 평가를 통한 사회적 의사소통 어려움 점수가 높은 개인일수록 신경 복잡성이 낮은 경향이 있음을 발견했습니다. 이는 뇌가 복잡하고 유연한 패턴을 생성하는 능력이, 공식적인 진단 여부와 상관없이 개인이 사회적 상호작용을 얼마나 쉽게 헤쳐 나가는지와 지속적인 관계가 있음을 시사합니다.

연구는 또한 사회적 영화를 시청하는 동안 어떤 일이 일어나는지를 면밀히 살펴보았습니다. 연구진은 영화 속에서 타인의 감정이나 생각을 이해해야 하는 특정 순간들을 식별했습니다. 그들은 사회적 내용을 포함하는 장면과, 길이는 같지만 사회적 내용이 없는 추상적 영화의 장면을 비교했습니다. 일반적인 발달을 보인 성인들은 사회적 장면을 볼 때 비사회적 장면을 볼 때보다 신경 복잡성이 뚜렷하게 상승하는 모습을 보였습니다. 그들의 뇌는 사회적 정보를 처리하기 위해 유연성을 높이는 듯 보였습니다. 그러나 자폐 성인들은 이러한 증가를 보여주지 못했습니다. 그들의 신경 복잡성은 상대적으로 평탄하게 유지되었으며, 비사회적인 순간과 사회적인 순간을 구분하지 못했습니다. 이는 사회적 의사소통의 어려움이 복잡하고 빠르게 변화하는 사회적 단서에 직면했을 때 뇌의 역동성을 유연하게 재구성하지 못하는 능력의 결여에 뿌리를 두고 있을 수 있음을 시사합니다.

이러한 발견은 자폐증의 성인 뇌에서 나타나는 안정적인 특징, 즉 휴식과 활동의 다양한 상태 전반에 걸쳐 지속되는 특징을 가리킵니다. 연구진은 이러한 감소된 복잡성이 복잡성이 오히려 증가하는 경우가 많은 조현병과 같은 다른 질환의 결과와 대조된다는 점에 주목했으며, 이는 서로 다른 신경학적 질환들이 뇌 활동을 조직하는 서로 다른 방식을 가지고 있음을 암시합니다. 연구는 표본 크기와 영화가 고정된 순서로 제시되었다는 점에 의해 제한되었지만, 다양한 조건에서의 일관된 결과와 임상 증상과의 강력한 연관성은 설득력 있는 그림을 제공합니다. 이 연구가 치료법이나 간단한 진단 도구를 제공하는 것은 아니지만, 자폐증에서 뇌가 정보를 처리하는 구체적인 방식을 밝혀줍니다. 이는 사회 생활의 어려움이, 활발하게 움직이고 있음에도 불구하고 인간 관계의 유동적이고 종종 모호한 세계를 항해하는 데 필요한 풍부하고 다양한 내부 상태를 생성하는 데 어려움을 겪는 뇌 때문일 수 있음을 시사합니다.

기술 요약: 성인 자폐 스펙트럼 장애에서 뇌파 복잡성 감소와 사회적 의사소통의 연관성

문제 제기
자폐 스펙트럼 장애(ASD)는 사회적 의사소통 및 상호작용에서의 지속적인 어려움과 더불어 제한적이고 반복적인 행동을 특징으로 한다. 기존의 신경 영상 기술은 ASD에서 나타나는 비전형적인 뇌 구조와 연결성을 식별해 왔으나, 이러한 접근 방식들은 유연한 정보 처리에 필요한 시간적 역동성과 복잡성을 포착하는 데 한계가 있다. 다중 척도 엔트로피(Multiscale Entropy, MSE)—다양한 시간 척도에 걸친 신호 복잡성의 척도—를 활용한 기존의 뇌파(EEG) 연구들은 ASD 환자들에게서 긴 시간 척도에서의 MSE 감소를 보고해 왔다. 그러나 기존 문헌은 영유아 및 아동 표본에 크게 치우쳐 있어, 성인에 대한 데이터는 매우 부족한 실정이다. 또한, 감소된 신경 복잡성, 특정 임상 증상(특히 사회적 의사소통), 그리고 자연스러운 환경에서의 사회적 정보 처리 사이의 관계는 여전히 충분히 이해되지 않고 있다.

연구 방법론
본 연구는 47명의 성인 ASD 환자와 40명의 전형적 발달(TD) 대조군을 대상으로 피험자 내 설계(within-participant design)를 채택하였다. 참가자들은 다음 세 가지 조건 하에서 EEG 측정을 수행하였다:

휴식 상태(Resting State): 7분간의 눈을 감은 휴식.
영화 시청 1 (Inscapes): 7분간 추상적이고 서사가 없는 시각적 패턴 시청.
영화 시청 2 (Partly Cloudy): 5분간 정서적으로 몰입감이 있는 애니메이션 사회적 서사 시청.

데이터 획득 및 전처리:

EEG는 64채널 캡(등간격 또는 10–10 구성)을 사용하여 1,000 Hz로 기록되었다.
데이터는 인공물 제거 기법인 ASR(Artifact Subspace Reconstruction)과 ICA(Independent Component Analysis)를 사용하여 근전도, 안구 운동, 심장 관련 노이즈를 제거하였다.
신호는 200 Hz로 다운샘플링되었고, 0.5–70 Hz 대역 통과 필터링을 거쳤으며, 구형 스플라인 보간법(sphical spline interpolation)을 통해 공통 몽타주로 조화되었다. 공간적 특이성을 높이기 위해 전류원 밀도(Current Source Density, CSD) 변환이 적용되었다.

분석:

다중 척도 엔트로피 (MSE): 척도 인자 $\tau = 1–30$ 에 대해 샘플 엔트로피(Sample Entropy, SampEn)를 사용하여 MSE를 계산하였다. 계산 부하를 관리하고 안정성을 확보하기 위해 각 조건에서 세 개의 60초 구간을 추출하였다.
통계 모델링:
- 집단/조건 효과: 비모수 클러스터 기반 순열 검정(nonparametric cluster-based permutation tests)을 사용하여 연령과 성별을 통제한 상태에서 집단 간(ASD vs. TD), 조건 간(Rest, Movie 1, Movie 2), 그리고 이들의 상호작용에 따른 MSE 차이를 식별하였다.
- 임상적 연관성: 선형 혼합 효과(Linear Mixed-Effects, LME) 모델을 사용하여 유의미한 집단 차이가 나타난 클러스터 내의 MSE와 ADOS-2(Autism Diagnostic Observation Schedule, Second Edition) 사회적 감정(Social Affect, SA) 점수 간의 연관성을 조사하였다. 순환 논리(circularity)를 방지하기 위해 상관 분석에 사용된 데이터와 독립적인 클러스터를 정의하기 위해 '하나씩 제외하는 방식(Leave-One-Subject-Out, LOSO)' 절차를 활용하였다.
- 사건 관련 분석: MSE 변화를 Partly Cloudy의 특정 "사회적" 사건(공감적 고통 및 마음 이론 장면)과 이에 시간적으로 매칭된 Inscapes의 "비사회적" 창(window)과 비교하였다.

주요 결과

ASD에서의 장기 척도 MSE 감소: 모든 세 가지 조건(휴식, 추상 영화, 사회적 영화)에서, 성인 ASD 집단은 TD 대조군에 비해 긴 시간 척도( $\tau = 16–30$ , 유효 샘플링 속도 12.50–6.67 Hz에 해당)에서 유의미하게 낮은 MSE를 보였다. 이러한 차이는 공간적으로 광범위하게 나타났다.
사회적 의사소통과의 연관성: 집단 차이가 나타난 클러스터 내에서, 낮은 MSE는 두 진단 집단 모두에서 ADOS-2 SA 점수와 유의미한 음의 상관관계를 보였다. 사회적 의사소통의 어려움이 클수록(SA 점수가 높을수록) 신경 복잡성은 낮았다. 이러한 연관성은 휴식 상태와 사회적 영화(Partly Cloudy) 시청 중에 관찰되었다.
조건 의존적 범위: 집단 간 차이의 크기는 조건에 따라 유의미하게 상호작용하지 않았으나, ASD-TD 차이 클러스터의 공간적 및 척도별 범위는 추상 영화(Inscapes)보다 사회적 영화(Partly Cloudy) 시청 중에 더 크게 나타났다.
감쇄된 사건 관련 차별화: TD 참가자의 경우, 비사회적 창에 비해 사회적 사건(공감적 고통 및 ToM) 동안 MSE가 유의미하게 증가하였다. 반면, ASD 참가자들은 사회적 창과 비사회적 창 사이에서 유의미한 차별화를 보이지 않았다. 결과적으로, "사회적 상황 마이너스 비사회적 상황"의 MSE 변화량은 ASD 집단에서 유의미하게 작았다.
특이성: 장기 척도 MSE와 제한적 및 반복적 행동(RRB) 점수 사이에는 유의미한 연관성이 발견되지 않았으며, 이는 MSE 감소가 이 맥락에서 광범위한 ASD 표현형보다는 사회적-정서적 특성과 구체적으로 연결되어 있음을 시사한다.

의의 및 주장
본 논문은 감소된 장기 척도 MSE가 성인기까지 지속되는 ASD의 안정적인 신경생리학적 특징이며, 휴식 및 자연스러운 영화 시청 상태 전반에 걸쳐 나타난다고 주장한다. 이러한 결과는 신경 복잡성의 감소가 단순히 상태 의존적인 인공물이 아니라, 사회적 의사소통의 어려움의 심각도와 차원적으로 관련되어 있음을 시사한다.

저자들은 ASD 참가자들이 사회적 맥락과 비사회적 맥락 사이에서 신경 복잡성을 차별화하지 못하는 능력과 일반적인 장기 척도 복잡성의 감소가, 복잡하고 빠르게 변화하는 사회적 정보를 처리할 때 신경 역동성을 유연하게 재구성하는 능력이 저하되었음을 반영할 수 있다고 가정한다. 이는 조현병이나 알츠하이머병에서 장기 척도 MSE가 증가하는 양상과는 대조적이며, 이는 다른 신경정신질환들과 구별되는 독특한 정보 통합 메커니즘을 시사한다.

본 연구는 긴 시간 척도의 EEG 복잡성이 ASD의 사회적-정서적 특성을 위한 후보 신경생리학적 지표 역할을 할 수 있다고 결론짓는다. 그러나 저자들은 표본 크기의 제한, 독립적인 재현 코호트의 부재, 그리고 두피 EEG 데이터로부터 시냅스 또는 회로 수준의 메커로 직접 추론할 수 없다는 점 등 한계점을 명시적으로 언급하였다. 그들은 본 연구의 결과가 해당 표본 내에서는 견고하지만, 더 큰 규모의 독립적인 성인 코호트에 대한 확인이 필요함을 강조하였다.

유사한 논문