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문제 정의
- 평가하고자 하는 기능만을 선택적으로 자극하는 과제를 적용하는 것이 정확한 결과의 도출에필수적이지만 과제의 특성상 그것이 불가능할 경우 적절한 대조과제를 적용하여 원하지 않는 요소들을 효과적으로 감산하는 것도 한 방법이다. 본 연구에서는 자극과제로 연산식을 보여주고맞는지 틀리는지를 판단하게 하였다. 제시된 과제를 수행하는과정에는 순수한 연산처리에 관계된 것뿐만 아니라 이를 수행하기 위한 주의를 집중하고 연산의 결과가 맞는지 틀리는지 판단하는 과정이 포함된 자극과제로 볼 수 있다.
- 이에 저자들은 fMRI를 이용하여 수리연산 과제를 수행하는동안에 활성화되는 뇌영역을 알아보고자 하였다.
- 활성기 자극과제는 실험 1과 동일하게 하였고, 휴식기 대조과제는 같거나 서로 다른 두 가지의 기호(예 (., ・), (♦. ・), (., .), (★, ▲' 등)를 보여주고 같은지 다른지 판단하도록하여, 판단과정을 감산하였을 때 나타나는 활성화 영상이 실험 1에서 나타난 결과와 어떠한 차이가 있는지 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 001 (uncorrected) 을 가지고 t-검정을 수행하였다. 각 개별 피험자의 영상을 확인한 후, 공통적으로 유의한 활성화 영역을 확인하기 위한 집단분석을 시행하였다. 집단분석은 개별 피험자의 자극 조건에 대한대조영상들(contrast images)을 원 자료로 하는 임의효과분석 (random effect analysis)을 이용하였으며, 유의수준 p( 0.
- 십자모양을 바라보고 있도록 하였다. 과제의 제시는오버헤드 프로젝터를 이용하여 반투명 스크린에 투사하였고, 피험자들의 두부코일에 부착된 거울을 통하여 이를 보도록 하였다.
- 영상은 매 3초마다, 전교련과 후교련을 연장한 AC-PC line을 기준으로 절편간격 없이 5mm 절편두께로총 20절편의 횡단면 영상을 얻었다. 기능적 영상을 얻을 동안 5 번의 휴식기와 4번의 활성기를 번갈아 가면서 시행하였고, 각각의 휴식기와 활성기에 절편 당 10회의 영상을 얻었으며 각 영상획득 시간은 30초였다. EPI 영상이 평형기 (equilibrium state)를 이루기 전의 높은 신호를 보정하기 위해 12초간의 모조영상(dummy scan)을 활성화 영상을 얻기 전에 추가로 얻었으며, 총 스캔 시간은 모조영상을 포함하여 282초가 소요되었다.
- 첫 시리즈의영상을 기준으로 스캔 과정 중의 움직임에 의한 오정렬 (misalignment)을 보정하였고(realignment), 각 피험자의대뇌에 대한 전체적 표준화(global normalization)를 시행하였다. 신호 대 잡음 비를 높이고, 잡음을 제거하기 위하여 시간및 공간에 대한 Gaussian filtering 및 high pass filtering을시행하였다.
- 제시된 과제를 수행하는과정에는 순수한 연산처리에 관계된 것뿐만 아니라 이를 수행하기 위한 주의를 집중하고 연산의 결과가 맞는지 틀리는지 판단하는 과정이 포함된 자극과제로 볼 수 있다. 실험 1에서는 대조과제로 십자모양을 바라보도록 하였다. 따라서 실험 1의 활성화영상에는 연산처리에 관계된 활성화 영역뿐만 아니라 주의집중과 판단과정이 포함된 결과이며 , 이전의 다른 연구자들의 결과와 달리 언어기능과 관계된 하전두회의 활성화가 좌측으로 편재화(lateralization) 되지 않았다.
-
2 실험방법
실험과제의 특성에 따라 실험 1과, 실험 2로 구분하여 진행하였다.
- London, UK)을 이용하여 분석하였다. 첫 시리즈의영상을 기준으로 스캔 과정 중의 움직임에 의한 오정렬 (misalignment)을 보정하였고(realignment), 각 피험자의대뇌에 대한 전체적 표준화(global normalization)를 시행하였다. 신호 대 잡음 비를 높이고, 잡음을 제거하기 위하여 시간및 공간에 대한 Gaussian filtering 및 high pass filtering을시행하였다.
- 활성기 자극과제로 연산식(예: (4 + 5)x8 = 72, 18- 10 + 9 = 16, 4 + 3x4 = 32, 4+(45:9) = 9, 6×(13-6) = 42, 등)을 보여주고 맞는지 틀리는지를 판단하게 하여 , 수식이 맞는경우 압착공(squeeze ball)을 눌러 신호하게 하였고, 휴식기대조과제는 십자모양을 바라보고 있도록 하였다. 과제의 제시는오버헤드 프로젝터를 이용하여 반투명 스크린에 투사하였고, 피험자들의 두부코일에 부착된 거울을 통하여 이를 보도록 하였다.
대상 데이터
- 신경 및 정신과적 장애가 없는 6명의 정상 성인 자원자를 대상으로 하였으며 남자 2명 여자 4명 이 었다. 피 험자들은 모두 대학에 재학 중인 학생들이었으며, 연령은 20세부터 26세까지 평균 23.
- 5 T 초전도 MR기기(GE medical system, Milwaukee, USA)를 이용하여 echo planar image (EPI) BOLD(blood oxygen level dependent) 기법으로 fMRI 영상을 얻었다 (TR/TE 3000/60 msec, flip angle 90°, matrix 64x64, FOV 24x24 cm). 영상은 매 3초마다, 전교련과 후교련을 연장한 AC-PC line을 기준으로 절편간격 없이 5mm 절편두께로총 20절편의 횡단면 영상을 얻었다. 기능적 영상을 얻을 동안 5 번의 휴식기와 4번의 활성기를 번갈아 가면서 시행하였고, 각각의 휴식기와 활성기에 절편 당 10회의 영상을 얻었으며 각 영상획득 시간은 30초였다.
- 00001(uncorrected)에서 활성화 영상을 만들었다. 최종 활성화 영상을 SPM99에 내장된 표준화된 2D 및 3D 영상에 중첩하여 fMRI 영상을 얻었다. fMRI 영상분석은 육안적인 판단을 기준으로 분석하였고, SPM99를 이용한 결과에서 나오는 Talairach 좌표 값을 참고하였다.
데이터처리
- 최종 활성화 영상을 SPM99에 내장된 표준화된 2D 및 3D 영상에 중첩하여 fMRI 영상을 얻었다. fMRI 영상분석은 육안적인 판단을 기준으로 분석하였고, SPM99를 이용한 결과에서 나오는 Talairach 좌표 값을 참고하였다.
- 이렇게 준비된 각 피험자의 체적영상에 대한 통계분석은 실험 시 자극을 주었던 패턴 (stimulation time pattern, 즉, boxcar pattern)을 대상으로 일반 선형 회귀분석 (general linear regression)을 수행하였고, 유의수준 p(0.001 (uncorrected) 을 가지고 t-검정을 수행하였다. 각 개별 피험자의 영상을 확인한 후, 공통적으로 유의한 활성화 영역을 확인하기 위한 집단분석을 시행하였다.
- 각 개별 피험자의 영상을 확인한 후, 공통적으로 유의한 활성화 영역을 확인하기 위한 집단분석을 시행하였다. 집단분석은 개별 피험자의 자극 조건에 대한대조영상들(contrast images)을 원 자료로 하는 임의효과분석 (random effect analysis)을 이용하였으며, 유의수준 p( 0.00001(uncorrected)에서 활성화 영상을 만들었다. 최종 활성화 영상을 SPM99에 내장된 표준화된 2D 및 3D 영상에 중첩하여 fMRI 영상을 얻었다.
- 획득된 활성화 영상을 fMRI 분석 소프트웨어인 SPM99 (statistical parametric mapping version 99, The Wellcome Department of Cognitive Neurology, University College London, UK)을 이용하여 분석하였다. 첫 시리즈의영상을 기준으로 스캔 과정 중의 움직임에 의한 오정렬 (misalignment)을 보정하였고(realignment), 각 피험자의대뇌에 대한 전체적 표준화(global normalization)를 시행하였다.
이론/모형
- 1.5 T 초전도 MR기기(GE medical system, Milwaukee, USA)를 이용하여 echo planar image (EPI) BOLD(blood oxygen level dependent) 기법으로 fMRI 영상을 얻었다 (TR/TE 3000/60 msec, flip angle 90°, matrix 64x64, FOV 24x24 cm). 영상은 매 3초마다, 전교련과 후교련을 연장한 AC-PC line을 기준으로 절편간격 없이 5mm 절편두께로총 20절편의 횡단면 영상을 얻었다.
- 4세였다. Oldfield (5)가 개발한 Edinburgh Inventory(EI) Handedness Scale을 이용하여 피험자들의손잡이를 결정하였으며 모두 오른손 잡이로 결정되었다.
성능/효과
- 나타났다. 대조과제로 주의집중 및 판단과 관련된 요소를 추가한 실험 2에서는 좌반구의 활성화는 실험 1과 차이가 없었으나, 우반구 전두엽과 두정엽의 활성화는 실험 1에 비해 작았으며, 그 정도는 전두엽에서 보다 뚜렷하게 작았다. 따라서 수리연산과 연관된 대뇌 부위는 좌반구의 하전두회와 전전두영역 및양측 두정엽이며, 이 중 좌반구 하전두회는 언어영역과 동일한부위이며, 실험 2에서 활성화가 감소된 우반구 전두엽과 두정엽의 일부는 연산과제를 수행하기 위한 주의집중 및 판단과 관련이 있는 부위로 추정된다.
- 실험 1에서는 대조과제로 십자모양을 바라보도록 하였다. 따라서 실험 1의 활성화영상에는 연산처리에 관계된 활성화 영역뿐만 아니라 주의집중과 판단과정이 포함된 결과이며 , 이전의 다른 연구자들의 결과와 달리 언어기능과 관계된 하전두회의 활성화가 좌측으로 편재화(lateralization) 되지 않았다. 실제로 실험 2에서 대조과제로 두 가지의 도형을 제시하고 같은지 다른지를 판단하게 하여, 활성화 영상에서 주의집중이나 판단과 관련된 요소를 제거하여숫자연산에 관한 부분만 남도록 하였을 때, 실험 1에서 활성화된 영역에서 좌반구 전두엽과 두정엽의 활성화 정도는 변화가없었지만, 하전두회를 포함한 우반구 전두엽의 활성화는 그 정도가 뚜렷하게 감소하였고, 두정엽의 활성화 정도도 약간 감소하였다.
- 본 연구의 결과에서 다른 연구자들의 결과와 차이가 나는 점중의 하나는 양측 두정엽의 활성화에 있어 두정엽내 뇌구를 중심으로 상방의 상두정소엽으로 편재된 활성화를 보였고, 하방의각회 (angular gyrus)나 상연회 (supramarginal gyrusX 포함한 하두정엽의 활성화가 보이지 않은 것이다. 하두정엽은 전통적으로 수리연산과 관련된 부위로 알려져 있으며 (13), fMRI를 이용한 이전의 연구에서도 대부분 활성화를 보인 부위이다 (4, 6, 14, 15).
- 따라서 실험 1의 활성화영상에는 연산처리에 관계된 활성화 영역뿐만 아니라 주의집중과 판단과정이 포함된 결과이며 , 이전의 다른 연구자들의 결과와 달리 언어기능과 관계된 하전두회의 활성화가 좌측으로 편재화(lateralization) 되지 않았다. 실제로 실험 2에서 대조과제로 두 가지의 도형을 제시하고 같은지 다른지를 판단하게 하여, 활성화 영상에서 주의집중이나 판단과 관련된 요소를 제거하여숫자연산에 관한 부분만 남도록 하였을 때, 실험 1에서 활성화된 영역에서 좌반구 전두엽과 두정엽의 활성화 정도는 변화가없었지만, 하전두회를 포함한 우반구 전두엽의 활성화는 그 정도가 뚜렷하게 감소하였고, 두정엽의 활성화 정도도 약간 감소하였다. 따라서 우반구 전두엽과 두정 엽의 일부는 주의집중이나판단과정과 관련이 있는 영역으로 생각할 수 있으며, 이는 이전의 다른 연구자들의 결과에서 확인된 바 있다.
- 실험 1과 실험 2에서 나타난 활성화 영역의 차이를 명확히 보기 위해 실험 1의 활성화 영역에서 실험 2의 활성화 영역을 감산하였을 때 우측 전두엽과 두정엽 및 양측 후두엽에서 활성화신호가 나타났다 (Fig. 3).
- 실험 1에서 수리연산과 관련된 대뇌의 활성화가 하전두회와전전두영역을 포함한 양측 전두엽과 두정엽의 두정엽내 뇌구에서 나타났다. 대조과제로 주의집중 및 판단과 관련된 요소를 추가한 실험 2에서는 좌반구의 활성화는 실험 1과 차이가 없었으나, 우반구 전두엽과 두정엽의 활성화는 실험 1에 비해 작았으며, 그 정도는 전두엽에서 보다 뚜렷하게 작았다.
- 실험 1에서 연산과 관련된 활성화가 양측 전두엽, 두정엽, 후두엽의 여러 부위에서 대칭적으로 나타났다 (Fig. 1). 전두엽의경우 양측 하전두회(BA 44), 전전두영역(BA 9, 10, 46), 전운동영역(BA 6, 8) 및 보조운동영역(BA 6)에서 대칭적으로활성화 신호가 나타났다.
- 주어진 것에 기인한 것으로 보인다. 실험 1에서 자극과제는 3초에 한번씩 새로운 슬라이드를 보여주었고, 대조과제로 사용한 십자모양은 계속해서 동일한 것을 보여주었기 때문에시각적 자극의 강도에 차이가 있었고 이 때문에 시각적 자극과관련된 것이 활성화 영상에서 적절히 감산 되지 않았다. 실제로실험 2에서 대조과제로 도형들을 자극과제와 동일한 시간 간격으로 제시하였을 때 양측 후두엽의 활성화가 실험 1과 비교하여뚜렷이 감소하는 소견을 보여 이를 뒷받침하는 결과이라 하겠다.
- 1). 전두엽의경우 양측 하전두회(BA 44), 전전두영역(BA 9, 10, 46), 전운동영역(BA 6, 8) 및 보조운동영역(BA 6)에서 대칭적으로활성화 신호가 나타났다. 두정엽의 경우 양측 두정엽내 뇌구 (intraparietal sulcus)를 중심으로 상방의 상두정소엽 (superior parietal lobule)을 포함하여 대칭적인 강한 활성화신호를 보였고, 후두엽에서는 1, 2차 시각중추영역에 대칭적인활성 화 신호가 나타났다.
- 제시된 수식과 도형의 판단에 있어 피험자들의 정답율은 모두 85%이상이었다.
- 좌반구의 활성화는 실험 1과 차이가 없었으나, 우반구 전두엽과 두정엽의 활성화는 실험 1에 비해 작았으며, 그 정도는전두엽에서 보다 뚜렷하게 작았다 (Fig. 2).
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