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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 외부에서 고농도 (30%)의 산소공급 시 인지 능력 중 특히 공간 지각 능력에 어떠한 변화를 유발하는지에 대한 기초연구를 뇌기능 영상기법을 이용하여 수행하고자 한다. 즉, 외부에서의 고농도의 산소 공급이 이루어지는 동안 fMRI 기법을 통해 뇌에서의 인지처리 과정과 결과를 직접 관찰할 수 있다면, 산소 공급과 인지능력 변화의 상관관계를 보다 체계적이고 정량적으로 밝힐 수 있을 것이다.
- 본 연구에서도 외부에서의 고농도의 산소 공급이 인지 능력 중 공간 지각 능력 증가에 긍정적인 영향을 미친다는 유사한 결론을 도출하였다. 특히 본 연구에서는 공간지각수행 결과의 비교뿐만 아니라, 직접적인 인지처리가 이루어지는 뇌의 상태를 관찰하여 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 21% 산소농도 일 때 공간 지각과제를 수행하는 회기와, 30% 산소농도 일 때 과제를 수행하는 회기, 두 개 회기로 이루어진 실험을 설계하였다. 유사한 난이도끼리 짝지어 선정된 20쌍의 공간 지각 문제들을 두 회기(A, B양식)에 나누어 분포시킴으로써 회기 간에 문제난이도의 차이가 없도록 하였다.
- 21%와 30% 산소 농도에서 각각 공간지각 과제를 수행한 후 모든 실험 참여자의 정답률을 계산하였다. 21%에 비해 30% 산소농도에서 8명의 실험 참여자 중 7명의 실험 참여자가 정답률이 높게 나왔고, 1명은 동일하게 나왔다.
- A형 문제지를 푼 학생은 139명(남: 77명, 여: 62 명)이었으며, B형 문제지를 푼 학생은 124명(남: 66명, 여: 58 명)이었다. A, B의 총 90문항 각각에 대한 정답률 ((정답자수 /응답자 수)乂100)을 산출하여, 유사한 난이도를 보이는 문항들끼리 둘씩 짝을 지어 총 20쌍 (40 문항)을 선정하였다. 그리고 20 문항이 포함되어 있는 두 개의 공간 지각 과제 문제지를 각각 제작하였다.
- 재배열 (realignment) 과정으로 머리의 움직임을 교정하고 기능적 영상과 해부학적 영상을 상관정립(coregister)하여 공통 좌표로 합성해 주었다. 각 개인의 뇌 형태적 차이를 교정하기 위하여 표준화된 뇌 공간에 template image (Montreal Neurologic Institute)를 사용하여 normalization 하였다[22], 활성화된 뇌 영역은 normalization 된 개인의 영상자료를 그룹으로 분석하여 활성화의 평균치를 구하고 T score에 따라 색채 부호화 (color coding)하여 개인별 및 그룹별로 뇌지도를 얻었다. 감산법 (substraction)을 사용하여 인지 과제 수행에 따른 신경망의 활성화를 밝히고, 이중 감산법을 사용하여 산소 농도에 따라 인지 과제를 풀 때 특징적으로 활성화가 일어나는 뇌 영역을 추줄하였다.
- 각 개인의 뇌 형태적 차이를 교정하기 위하여 표준화된 뇌 공간에 template image (Montreal Neurologic Institute)를 사용하여 normalization 하였다[22], 활성화된 뇌 영역은 normalization 된 개인의 영상자료를 그룹으로 분석하여 활성화의 평균치를 구하고 T score에 따라 색채 부호화 (color coding)하여 개인별 및 그룹별로 뇌지도를 얻었다. 감산법 (substraction)을 사용하여 인지 과제 수행에 따른 신경망의 활성화를 밝히고, 이중 감산법을 사용하여 산소 농도에 따라 인지 과제를 풀 때 특징적으로 활성화가 일어나는 뇌 영역을 추줄하였다.
- 공간 지각 능력 측정을 위한 문항 선정을 위해, 집단검사를 통하여 유사한 난이도의 문항을 포함하는 두 개의 문제지를 제작하였다. 자세한 선정 과정은 다음과 같다.
- A, B의 총 90문항 각각에 대한 정답률 ((정답자수 /응답자 수)乂100)을 산출하여, 유사한 난이도를 보이는 문항들끼리 둘씩 짝을 지어 총 20쌍 (40 문항)을 선정하였다. 그리고 20 문항이 포함되어 있는 두 개의 공간 지각 과제 문제지를 각각 제작하였다. 선정된 문항들은 38.
- 뇌기능 영상을 획득하면서 각 실험 참여자는 두 개 회기 (21%와 30% 산소 농도)에 걸쳐 공간 지각과제를 수행하였고, 과제 수행 결과로부터 정답률 ((정답 수/총문항수)X100)을산출하였다.
- 공간지각과제에서는 공간 지각 문제들을 제시하고 각 문제의 정답에 해당하는 버튼을 눌러 반응하게 하였다 (블록당 5번 시행). 또한 각 시행들이 한 블록 내에서 무작위로 제시되도록 하였다. 그림 1은 한 회기의 구성을 도식화한 것이다.
- 자세한 선정 과정은 다음과 같다. 먼저 집단검사에 사용할 문제지를 구성하기 위하여지능 진단검사, 적성 진단 검사 그리고 일반적성 검사 (General Aptitude Test Battery: GATB) 로부터 공간지각 능력을 측정할 수 있는 소 검사들을 선정하였다 [19-21], 집단검사 문제지는 A와 B, 두 가지 유형으로 제작되었으며, 그 구성은 표 1과 같다.
- 본 연구를 위해 일반 공기 중의 산소농도인 21%의 산소와 30%의 고농도 산소를 각각 8L/min의 양으로 일정하게 공급할 수 있는 산소 공급장치 (Oxy Cure Co.)를 개발하였다. 산소공급 장치에서 발생된 산소는 농도와 유량을 일정하게 유지할 수 있도록 마스크를 통하여 실험 참여자에게 전달되었으며, 실험 참여자는 어떠한 농도의 산소가 공급되는지 모르게 하였다.
- 하였다. 산소농도 21%일 때 A양식의 문제를 풀었던 실험 참여자들은 산소농도 30%일 때 B양식을 풀도록 하였고, 산소 농도 21%일 때 B양식의 문제를 풀었던 실험 참여자들은 산소 농도 30%일 때 A양식을 풀도록 하였다.
- 한 회기는 네 개 블록으로 구성되었으며, 각 블록은 통제 과제와 공간 지각과제를 포함하도록 하였다. 선정된 통제 과제 와인지 과제는 뇌기능 영상 실험을 위한 자극제시 S/W인 SuperLab 1.07 (Cedrus Co.)을 사용하여 제작하고, 컴퓨터와 빔 프로젝터를 이용하여 MRI 내부의 피검자에게 거울을 통하여 제시하였다. 피검자는 제시된 문제에 대해 반응 버튼을 누르도록 하여 해답을 결정하도록 하였다.
- 실험에 참여하기 전 실험 참여자들은 실험에 대한 전반적인 설명을 듣고 문제 유형을 익히기 위해 연습 문제를 풀어 보도록 하였다. 산소농도 21%일 때 A양식의 문제를 풀었던 실험 참여자들은 산소농도 30%일 때 B양식을 풀도록 하였고, 산소 농도 21%일 때 B양식의 문제를 풀었던 실험 참여자들은 산소 농도 30%일 때 A양식을 풀도록 하였다.
- 실험을 설계하였다. 유사한 난이도끼리 짝지어 선정된 20쌍의 공간 지각 문제들을 두 회기(A, B양식)에 나누어 분포시킴으로써 회기 간에 문제난이도의 차이가 없도록 하였다. 한 회기는 네 개 블록으로 구성되었으며, 각 블록은 통제 과제와 공간 지각과제를 포함하도록 하였다.
- 05). 이때 각 영역별로 구분하여 vox시 수를 계산하여야 하나 1번 화살표 영역과 같이 소뇌, 후두엽, 두정엽 영역들이 모두 집단(cluster)을 형성하고 있기 때문에 함께voxel 수를 계산하였다. 그림 4에서와 같이 1번 화살표 (소뇌, 후두엽, 두정엽) 영역과, 2번 화살표(전두엽)에서 모두 산소 농도 21%에 비해 30% 농도일 때 활성화 양이 유의미하게 증가하였다 (*p<.
- 재배열 (realignment) 과정으로 머리의 움직임을 교정하고 기능적 영상과 해부학적 영상을 상관정립(coregister)하여 공통 좌표로 합성해 주었다. 각 개인의 뇌 형태적 차이를 교정하기 위하여 표준화된 뇌 공간에 template image (Montreal Neurologic Institute)를 사용하여 normalization 하였다[22], 활성화된 뇌 영역은 normalization 된 개인의 영상자료를 그룹으로 분석하여 활성화의 평균치를 구하고 T score에 따라 색채 부호화 (color coding)하여 개인별 및 그룹별로 뇌지도를 얻었다.
- 통제과제에서는 1, 2, 3, 4의 네 개 숫자 중 화면에 제시되는 번호에 해당하는 버튼을 누르게 하여 본 실험에 집중하게 하였다 (블록당 8번 시행). 공간지각과제에서는 공간 지각 문제들을 제시하고 각 문제의 정답에 해당하는 버튼을 눌러 반응하게 하였다 (블록당 5번 시행).
- )을 사용하여 제작하고, 컴퓨터와 빔 프로젝터를 이용하여 MRI 내부의 피검자에게 거울을 통하여 제시하였다. 피검자는 제시된 문제에 대해 반응 버튼을 누르도록 하여 해답을 결정하도록 하였다.
대상 데이터
- 각 45문항의 문제들로 구성된 문제지 A, B를 이용하여, 263명 (남: 143명, 여: 120명)의 대학생을 대상으로 집단검사를 실시하였다. A형 문제지를 푼 학생은 139명(남: 77명, 여: 62 명)이었으며, B형 문제지를 푼 학생은 124명(남: 66명, 여: 58 명)이었다.
- 뇌기능 영상 획득은 KAIST 뇌과학연구 센터에 있는 3T ISOL technology FORTE를 사용하였으며, single-shot Echo Planar Imaging (EPI) 방법 (TR/TE : 3000/35 msec, FOV 240mm, matrix 64*64, slices thickness 4mm)으로 각 볼륨당 35장의 뇌절 편 영상을 수집하였다. 자기적 평형 상태에 도달하기 위하여, 처음 5개의 볼륨신호는 분석에서 제외하였다.
- 신체 내보철기를 착용하지 않고, 뇌수술, 고막수술 경험이 없고, 폐쇄 공포증이 없고, 난시가 없는 8명의 오른손잡이 남자대학생들 (평균 23.5서])이 본 연구에 참여하였다.
- 자기적 평형 상태에 도달하기 위하여, 처음 5개의 볼륨신호는 분석에서 제외하였다. 해부학적 뇌 영상은 T1 강조영상 (matrix 256*192, Slice thick ness 4mm)을 수집하였다.
이론/모형
- 뇌기능 영상 데이터는 SPM-99 (Statistical Parametric Mapping-99, Wellcome Department of Cognitive Neuro logy, Oxford, 1999) S/W를 사용하여 분석하였다. 재배열 (realignment) 과정으로 머리의 움직임을 교정하고 기능적 영상과 해부학적 영상을 상관정립(coregister)하여 공통 좌표로 합성해 주었다.
성능/효과
- 이때 각 영역별로 구분하여 vox시 수를 계산하여야 하나 1번 화살표 영역과 같이 소뇌, 후두엽, 두정엽 영역들이 모두 집단(cluster)을 형성하고 있기 때문에 함께voxel 수를 계산하였다. 그림 4에서와 같이 1번 화살표 (소뇌, 후두엽, 두정엽) 영역과, 2번 화살표(전두엽)에서 모두 산소 농도 21%에 비해 30% 농도일 때 활성화 양이 유의미하게 증가하였다 (*p<.05, **p<.01). 특히 전두엽 영역의 활성화 양이 컸다.
- 특히 고차인지 기능을 담당하는 양측 전두엽 영역의 활성화 증가량이 컸다. 또한 공간지각과 제 수행 결과에서도 30% 농도의 산소 공급일 때 평균 정답률이 유의미하게 증가하였다. 이러한 결과로부터 고농도(30%)의 산소공급이 공간지각과제를 수행하는 동안 과제 수행에 필요한 산소 공급을 충분하게 하여 과제 수행에 필요한 신경망을 보다 활성화시키게되고, 그 결과로 과제 수행 능력도 증가한다는 결론을 이끌어낼 수 있다.
- 동일하였다. 소뇌 (cerebellum) 영역, 양측 후두엽 (occipital lobe) 영역, 양측 상 두정엽 (bilateral superior parietal lobes), 양측 하 두정엽 (bilateral inferior parietal lobes), 양측 쐐기 앞 소엽 (bi lateral precuneus), 양측 중심후 이랑 (bilateral postcentral gyri) 등을 포함하는 두정엽 (parietal lobe) 영역, 그리고 양측중간 전두이랑 (bilateral middle frontal gyri), 양측 하전두이랑 (bilateral inferior frontal gyri), 양측 내측 전두이랑 (bila- teral medial frontal gyri), 양측 상전두이랑 (bilateral supe rior frontal gyri), 양측 대상회 (bilateral cingulate gyri) 등을 포함하는 전두엽 (frontal lobe) 부분이 동일하게 활성화되었다 (corrected p<.05).
- 또한 격자 스캐닝 (grid-scanning)과 같이 체계적 눈 움직임을 요구하는 과제의 경우, 두정엽과 하측 측두엽에서는 상대적으로 적은 활성화를 보이지만 중심 전회 (precentral gyrus)와 후측 중간 전두영역 (posterior middle frontal region)에서 활성화되었다. 이 연구 결과는 과제 유형뿐만 아니라 과제에 요구되는 노력의 양에 따라서도 시공간 정보처리에 관련된 뇌 영역이 달라질 수 있다는 것을 제안한다.
- 또한 공간지각과 제 수행 결과에서도 30% 농도의 산소 공급일 때 평균 정답률이 유의미하게 증가하였다. 이러한 결과로부터 고농도(30%)의 산소공급이 공간지각과제를 수행하는 동안 과제 수행에 필요한 산소 공급을 충분하게 하여 과제 수행에 필요한 신경망을 보다 활성화시키게되고, 그 결과로 과제 수행 능력도 증가한다는 결론을 이끌어낼 수 있다. 즉, 개인의 인지능력은 고정되어 있어 나, 충분한 산소 공급이 더 많은 주의와 인지적 노력을 기울이게 하는데 도움이 된다는 결론을 이끌어낼 수 있다.
- 이러한 결과로부터 고농도(30%)의 산소공급이 공간지각과제를 수행하는 동안 과제 수행에 필요한 산소 공급을 충분하게 하여 과제 수행에 필요한 신경망을 보다 활성화시키게되고, 그 결과로 과제 수행 능력도 증가한다는 결론을 이끌어낼 수 있다. 즉, 개인의 인지능력은 고정되어 있어 나, 충분한 산소 공급이 더 많은 주의와 인지적 노력을 기울이게 하는데 도움이 된다는 결론을 이끌어낼 수 있다.
- 위에서 언급한 각 활성 영역에서 산소 농도 21%에 비해 30% 농도일 때 활성화 양이 증가하였다. 특히 고차인지 기능을 담당하는 양측 전두엽 영역의 활성화 증가량이 컸다. 또한 공간지각과 제 수행 결과에서도 30% 농도의 산소 공급일 때 평균 정답률이 유의미하게 증가하였다.
후속연구
- 셋째로, 개발된 문제지를 이용하여 피검자에게 인지 과제를 수행하게 하여 적절한 인지 변화를 유발시키고, 뇌 기능 영상기법을 통하여 유발 된 인지 변화를 측정할 수 있는 상세한 실험 절차 및 실험설계가 필요하다. 마지막으로 이러한 절차로 수립된 실험설계로부터 뇌 기능 실험을 수행하고, 획득된 뇌기능 영상 결과와 인지검사의 결과를 분석하는 작업이 필요하다.
- 둘째로, 공간지각의 인지 능력 변화를 높은 신뢰도로 측정할 수 있는 검사지의 개발이다. 셋째로, 개발된 문제지를 이용하여 피검자에게 인지 과제를 수행하게 하여 적절한 인지 변화를 유발시키고, 뇌 기능 영상기법을 통하여 유발 된 인지 변화를 측정할 수 있는 상세한 실험 절차 및 실험설계가 필요하다. 마지막으로 이러한 절차로 수립된 실험설계로부터 뇌 기능 실험을 수행하고, 획득된 뇌기능 영상 결과와 인지검사의 결과를 분석하는 작업이 필요하다.
- 한다. 즉, 외부에서의 고농도의 산소 공급이 이루어지는 동안 fMRI 기법을 통해 뇌에서의 인지처리 과정과 결과를 직접 관찰할 수 있다면, 산소 공급과 인지능력 변화의 상관관계를 보다 체계적이고 정량적으로 밝힐 수 있을 것이다.
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