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문제 정의
- 본 연구에서는 기억력의 인지 과제를 이용하여 30% 고농도의 산소 공급이 인지 처리 능력, 혈중 산소 농도, 심박동률에 미치는 영향을 관찰하고자 한다. 본 연구의 구체적인 연구 목표는 세 가지이다.
- 둘째, 30%의 산소 공급으로 인지 처리에 필요한 산소가 실제 혈류에 공급되어 뇌 신진대사 활동에 부응할 준비가 되었는지를 혈중 산소 포화도를 통해 측정하고자 한다. 셋째, 인지 처리 수행 시 심박동률을 측정하여 인지 부하(자율 신경계) 변화를 관찰하고, 외부의 산소공급이 인지 부하에 어떠한 영향을 미치는지 관찰하고자 한다.
- 본 연구의 구체적인 연구 목표는 세 가지이다. 첫째, 30%의 고농도 산소 공급이 기억력에 어떠한 영향을 미치는지 밝히고자 한다. 둘째, 30%의 산소 공급으로 인지 처리에 필요한 산소가 실제 혈류에 공급되어 뇌 신진대사 활동에 부응할 준비가 되었는지를 혈중 산소 포화도를 통해 측정하고자 한다.
제안 방법
- 21%와 30% 산소 농도에서 각각 기억 과제와 반응 시간 과제를 수행한 후 모든 실험 참여자의 기억률 점수와 반응 시간을에 나타내었다.
- 21%일 때와 30% 산소 농도일 때 기억 과제를 수행하는 실험을 설계하였다. 유사한 난이도끼리 짝지어 선정된 20개의 기억 과제 단어들을 두 실험에 나누어 분포시킴으로써 두 실험의 문제 난이도에 차이가 없도록 하였다.
- 8500A(Ninin Medical Inc.) 를 이용하여 실험 참여자의 왼손 약지손가락에서 혈중 산소 포화도(SPO2 (%))를 측정하였다. 이 제품은 LED를 이용하여 디스플레이만 가능하고 저장 장치가 없다.
- 그러므로 실험자가 5초 간격으로 측정값을 읽어서(1sample/5sec) 데이터를 기록하였다. Biopac MP100(Biopac Systems, Inc.)을 사용하여 Electrocardiogram(ECG)를 256 samples/ sec로 측정하였고, Acqknwledge 3.5(Biopac Systems, Inc.)를 이용하여 심박동률(bit per minute: bpm)을 계산하였다. 이때 전극은 오른쪽 발목에 기준 전극(Reference electrode)을 부착하고, 양 손목에 측정 전극을 부착하였다.
- 숫자 세기 과제가 끝나면 산소 공급이 중단된다. 단어 기억 구간에서는 1분 동안 단어 제시 구간에서 제시된 20개의 단어 중 기억하는 단어를 말하도록 하였고, 실험자는 실험 참여자가 기억하는 단어를 기록하였다.
- 통제 과제 시작과 함께 산소(21% 또는 30%)가 공급되며, 이 구간에서는 1분 동안 1, 2 ,3, 4의 네 개 숫자 중 화면에 제시되는 숫자에 해당하는 키보드 버튼을 누르게 하여 본 실험에 집중하게 하였다. 단어 제시 구간에서는 3초에 단어를 하나씩 제시하여 1분 동안 총 20개의 단어를 제시하였다. 반응 시간 과제에서는 제시되는 과일 이름 중에 ‘사과’라는 약속된 단어가 나올 때마다 키보드의 버튼을 누르게 하여 반응 시간을 측정하였다.
- 두 가지 산소 농도를 각각 공급하면서 총 7분 동안 생리 신호의 변화를 관찰하였다. 모든 과제는 SuperLab 1.
- 두 개의 실험(21%, 30%)에 대해 각 실험 참여자의 기억률 점수((기억한 단어 수/총 단어 수(20))☓100)과 반응 시간을 계산하였다. paired t-test(SPSS ver.
- 첫째, 30%의 고농도 산소 공급이 기억력에 어떠한 영향을 미치는지 밝히고자 한다. 둘째, 30%의 산소 공급으로 인지 처리에 필요한 산소가 실제 혈류에 공급되어 뇌 신진대사 활동에 부응할 준비가 되었는지를 혈중 산소 포화도를 통해 측정하고자 한다. 셋째, 인지 처리 수행 시 심박동률을 측정하여 인지 부하(자율 신경계) 변화를 관찰하고, 외부의 산소공급이 인지 부하에 어떠한 영향을 미치는지 관찰하고자 한다.
- 두 가지 산소 농도를 각각 공급하면서 총 7분 동안 생리 신호의 변화를 관찰하였다. 모든 과제는 SuperLab 1.07(Cedrus Co.)을 사용하여 제작하였고, 컴퓨터 모니터를 이용하여 실험 참여자에게 제시하였다.
- 단어 제시 구간에서는 3초에 단어를 하나씩 제시하여 1분 동안 총 20개의 단어를 제시하였다. 반응 시간 과제에서는 제시되는 과일 이름 중에 ‘사과’라는 약속된 단어가 나올 때마다 키보드의 버튼을 누르게 하여 반응 시간을 측정하였다. 숫자 세기 과제에서는 두 개의 지정된 숫자(끝자리가 2, 7 또는 3, 8)를 제외하고 1부터 연속하여 큰소리로 2분 동안 숫자를 세도록 함으로써 단어 기억을 방해하고자 하였다.
- 본 연구는 일반 공기중의 산소에 비해 30%의 고농도 산소 공급이 기억력에 어떠한 영향을 주는지에 대한 기초 연구를 기억 과제 수행 능력과 심박동률, 혈중 산소 포화도 결과를 비교하여 수행하였다. 선행 연구에서 100%의 산소 공급이 기억력을 증가시켰고(Scholey et al.
- 반응 시간 과제에서는 제시되는 과일 이름 중에 ‘사과’라는 약속된 단어가 나올 때마다 키보드의 버튼을 누르게 하여 반응 시간을 측정하였다. 숫자 세기 과제에서는 두 개의 지정된 숫자(끝자리가 2, 7 또는 3, 8)를 제외하고 1부터 연속하여 큰소리로 2분 동안 숫자를 세도록 함으로써 단어 기억을 방해하고자 하였다. 숫자 세기 과제가 끝나면 산소 공급이 중단된다.
- 21%일 때와 30% 산소 농도일 때 기억 과제를 수행하는 실험을 설계하였다. 유사한 난이도끼리 짝지어 선정된 20개의 기억 과제 단어들을 두 실험에 나누어 분포시킴으로써 두 실험의 문제 난이도에 차이가 없도록 하였다.
- 통제 과제 시작과 함께 산소(21% 또는 30%)가 공급되며, 이 구간에서는 1분 동안 1, 2 ,3, 4의 네 개 숫자 중 화면에 제시되는 숫자에 해당하는 키보드 버튼을 누르게 하여 본 실험에 집중하게 하였다. 단어 제시 구간에서는 3초에 단어를 하나씩 제시하여 1분 동안 총 20개의 단어를 제시하였다.
대상 데이터
- 21% 및 30% 농도의 산소를 각각 8L/min의 양으로 일정하게 공급할 수 있는 산소 공급 장치(Oxy Cure Co.)를 사용하였다. 산소 공급 장치에서 발생된 산소는 마스크를 통하여 실험 참여자에게 전달되었고, 실험 참여자는 어떤 농도의 산소가 공급되는지 모르게 하였다.
- 산소 공급 장치에서 발생된 산소는 마스크를 통하여 실험 참여자에게 전달되었고, 실험 참여자는 어떤 농도의 산소가 공급되는지 모르게 하였다. 5명의 남자 대학생(평균 25.8±0.8세)과 5명의 여자 대학생(평균 24.2±1.9세)을 실험 참여자로 선정하였다.
- 한국어 사전에서 기쁨단어, 슬픔단어, 위협단어 등의 두 음절 감성 단어를 추출하여 대학생 263명(남: 143명, 여:120명)을 대상으로 집단 기억력 검사를 실시하였다. 각각의 단어에 대한 기억률((정답자 수/응답자 수)×100)을 산출하고, 계산된 기억률 순위대로 단어를 나열한 후, 유사한 기억률의 단어들끼리 둘씩 짝을 지어 총 20쌍의 40 단어를 최종 선정하였다.
- 한국어 사전에서 기쁨단어, 슬픔단어, 위협단어 등의 두 음절 감성 단어를 추출하여 대학생 263명(남: 143명, 여:120명)을 대상으로 집단 기억력 검사를 실시하였다. 각각의 단어에 대한 기억률((정답자 수/응답자 수)×100)을 산출하고, 계산된 기억률 순위대로 단어를 나열한 후, 유사한 기억률의 단어들끼리 둘씩 짝을 지어 총 20쌍의 40 단어를 최종 선정하였다.
데이터처리
- 각 실험 참여자의 혈중 산소 포화도와 심박동률은 각 구간별(여섯 구간)로 하나의 평균값이 산출되었다. ANOVA(SPSS ver. 10.0) 분석을 사용하여 두 가지 산소 농도 사이에 그리고 각 구간별로 통계적 유의차를 검증하였다.
- 두 개의 실험(21%, 30%)에 대해 각 실험 참여자의 기억률 점수((기억한 단어 수/총 단어 수(20))☓100)과 반응 시간을 계산하였다. paired t-test(SPSS ver. 10.0)를 이용하여 산소 농도에 따라 기억률과 반응시간에서 통계적 유의차를 검증하였다. 각 실험 참여자의 혈중 산소 포화도와 심박동률은 각 구간별(여섯 구간)로 하나의 평균값이 산출되었다.
성능/효과
- 21%에 비해 30%일 때 통제 과제, 단어 제시, 숫자 세기 과제 구간에서 심박동률이 유의하게 작았다. 이것은 30%의 산소 공급 시 뇌의 신진대사에 필요한 산소 요구량이 충분히 공급되고 있기 때문에 심박동률이 작아진 것으로 판단된다.
- 01). 30%에서는 안정에 비해 단어 제시, 숫자 세기 과제, 단어 기억 단계에서 심박동률이 유의하게 증가하였다(p<0.05, p<0.05, p<0.05). 그리고 통제 과제 단계에 비해 단어 제시, 숫자 세기 과제, 단어 기억 단계에서 심박동률이 증가하였다(p<0.
- 이러한 사실로부터 과산소 상태일 때 인지 처리로부터 유발되는 심박동률이 작아질 수 있다는 것을 예측할 수 있고, 본 연구의 결과를 뒷받침할 수 있다. 결론적으로 인지 수행으로 심박동률이 증가되지만, 고농도의 산소 공급이 필요 산소량을 충분히 공급하여, 인지 처리에 필요한 심박동률을 감소시킨다는 결론을 도출 할수 있다.
- 이것은 21%에 비해 30%의 산소 공급시 인지 처리에 필요한 요구 산소량이 충분히 공급되고 있기 때문에 심박동률이 감소한 것으로 판단된다. 구간별 심박동률을 살펴보면, 21%에서는 안정, 통제 과제, 반응 시간 과제 단계에 비해 숫자 세기 과제 단계에서 심박동률이 유의하게 증가 하였다(p<0.01, p<0.01, p<0.01). 30%에서는 안정에 비해 단어 제시, 숫자 세기 과제, 단어 기억 단계에서 심박동률이 유의하게 증가하였다(p<0.
- 구간별 혈중 산소 포화도 변화를 살펴보면, 두 가지 산소 농도에서 안정 상태에 비해 단어 제시, 반응 시간 과제, 숫자 세기 과제, 단어 기억 단계에서 혈중 산소 포화도가 증가하였다. 이것은 인지 처리 수행 시 산소 요구량이 증가한다는 선행 연구 결과와 일치하는 것이다(Backs and Selijos; 1994 Scholey et al.
- 이것은 인지 처리가 요구되는 구간에서 21%에 비해 30%의 산소 공급 시 실제 혈중 산소 농도가 증가되어 뇌 활동에 보다 도움을 줄 수 있다는 사실을 의미한다. 구간별 혈중 산소 포화도를 살펴보면, 21%에서는 혈중 산소 포화도는 안정에 비해 통제 과제, 단어 제시, 반응 시간 과제, 숫자 세기 과제 단계에서 높게 측정되었다(p<0.05, p<0.05, p<0.01, p<0.05). 그리고 통제 과제, 단어 제시에 비해 반응 시간 과제 단계에서 증가하였다(p<0.
- 본 연구 결과로부터 30% 고농도 산소 공급이 인지 처리 수행 시 혈중 산소 포화도를 증가시켜 기억력 증가에 긍정적인 영향을 미치고, 인지 처리의 부하를 감소시켜 심박동률을 감소시킨다는 결론을 도출할 수 있다. 그러므로 본 연구는 21%와 30%의 산소 농도일 때 인지 처리 능력의 변화뿐만 아니라, 생리 신호의 변화까지 관찰하여, 산소의 긍정적인 효과를 보다 객관적이고 신뢰성 있게 판단할 수 있는 근거를 마련하였다. 그러나 향후 정확한 연구를 위해서는 피험자 수를 충분히 늘리고, 산소 공급 후 혈중 산소 농도의 rising time을 고려한 실험 설계가 필요할 것으로 판단된다.
- 05). 그리고 통제 과제 단계에 비해 단어 제시, 숫자 세기 과제, 단어 기억 단계에서 심박동률이 증가하였다(p<0.01, p<0.01, p<0.05).
- 05). 그리고 통제 과제, 단어 제시에 비해 반응 시간 과제 단계에서 증가하였다(p<0.05, p<0.05). 30%에서는 안정에 비해 단어 제시, 반응 시간 과제, 숫자 세기 과제, 단어 기억 단계에서 증가하였다(p<0.
- 05). 그리고 통제 과제보다 단어 제시, 반응 시간 과제, 숫자 세기 과제, 단어 기억 단계에서 높게 측정되었다(p<0.01, p<0.01, p<0.05, p<0.05).
- , 1999). 두 가지 산소 농도에서 모두 단어 제시, 숫자 세기, 단어 기억 단계에 비해 반응 시간 과제에서 심박동률이 감소하는 패턴을 관찰할 수 있었다. 인지 수행 노력과 생리 변화의 크기가 상관 관계가 있다는 보고를 참고한다면(Backs and Selijos, 1994), 다른 인지 처리에 비해 반응 시간 과제가 상대적으로 작은 인지 노력을 필요로 함을 알 수 있다.
- 본 연구 결과로부터 30% 고농도 산소 공급이 인지 처리 수행 시 혈중 산소 포화도를 증가시켜 기억력 증가에 긍정적인 영향을 미치고, 인지 처리의 부하를 감소시켜 심박동률을 감소시킨다는 결론을 도출할 수 있다. 그러므로 본 연구는 21%와 30%의 산소 농도일 때 인지 처리 능력의 변화뿐만 아니라, 생리 신호의 변화까지 관찰하여, 산소의 긍정적인 효과를 보다 객관적이고 신뢰성 있게 판단할 수 있는 근거를 마련하였다.
- , 2004 a, b). 본 연구에서도 30%의 산소 공급 시 기억률이 유의하게 증가하여, 30%의 산소도 기억력 향상에 긍정적인 영향을 미친다는 결론을 도출할 수 있었다. 그러나 인지 반응 시간에는 영향을 끼치지 않았다.
- 선행 연구에서 30%의 산소 공급이 뇌 활성화 양을 증가시켜 인지 능력이 향상되었다는 사실을 뇌 기능 영상 결과로부터 유도하였지만, 30%의 산소 공급으로 실제 혈중 산소 농도가 증가되어 뇌 활성화에 사용될 수 있었는지에 대한 중간 과정의 검증이 없었다. 본 연구의 결과에서 21%에 비해 30%의 산소를 공급할 때, 공급 시작 약 1분 이후 실제 인지 처리가 요구되는 단어 제시, 반응 시간 과제, 숫자 세기 과제 단계 구간에서 혈중 산소 포화도는 유의하게 증가하였다. 이것은 인지 처리가 요구되는 구간에서 21%에 비해 30%의 산소 공급이 실제 혈중 산소농도를 증가시켜 뇌 활성화를 촉진시킬 수 있다는 사실을 의미 하는 것으로, 본 연구팀의 선행 연구 결과를 뒷받침하는 증거가 될 수 있다.
- 두 가지 산소 농도에 따라 각 구간별 혈중 산소 포화도와 심박동률을 <그림 4>와 <그림 5>에 나타내었다. <그림 4>에서와 같이 단어 제시, 반응 시간 과제, 숫자 세기 과제 단계에서 혈중 산소 포화도는 21%에 비해 30%일 때 유의하게 증가하였다(p<0.05, p<0.05, p<0.05). 이것은 인지 처리가 요구되는 구간에서 21%에 비해 30%의 산소 공급 시 실제 혈중 산소 농도가 증가되어 뇌 활동에 보다 도움을 줄 수 있다는 사실을 의미한다.
- 인지 처리가 없는 안정 단계에서 과산소 상태(hyperoxia)는 심박동률을 감소시킨다는 보고가 있었다(Lodato and Jubran, 1993). 이러한 사실로부터 과산소 상태일 때 인지 처리로부터 유발되는 심박동률이 작아질 수 있다는 것을 예측할 수 있고, 본 연구의 결과를 뒷받침할 수 있다. 결론적으로 인지 수행으로 심박동률이 증가되지만, 고농도의 산소 공급이 필요 산소량을 충분히 공급하여, 인지 처리에 필요한 심박동률을 감소시킨다는 결론을 도출 할수 있다.
- 또한 기억해야 할 단어가 많으면 많을수록 심박동률과 호흡의 증가량은 커지고, 산소 요구량이 증가한다는 보고도 있었다(Backs and Selijos, 1994). 이러한 연구 결과로부터 인지 처리 수행은 심박동률, 호흡, 산소 소모 등의 생리 변화를 유발하고, 인지 부하가 증가할수록 생리 변화도 커진다는 사실을 알 수 있다.
- 그리고 30%의 산소를 공급하여 실제 혈중 산소 농도가 증가할 때까지 rising time이 존재할 것이고, 이 때문에 통제 과제 구간에서의 혈중 산소 농도의 증가가 뚜렷하지 못해서 차이가 없는 것으로 나타날 수 있을 것으로 판단된다. 추가 확인 실험 결과 안정 상태에서 30%의 산소를 공급한 후 약 40-50초 이후에 혈중산소 포화도가 정상 상태에 도달한다는 사실을 확인하였다.
후속연구
- 그러므로 본 연구는 21%와 30%의 산소 농도일 때 인지 처리 능력의 변화뿐만 아니라, 생리 신호의 변화까지 관찰하여, 산소의 긍정적인 효과를 보다 객관적이고 신뢰성 있게 판단할 수 있는 근거를 마련하였다. 그러나 향후 정확한 연구를 위해서는 피험자 수를 충분히 늘리고, 산소 공급 후 혈중 산소 농도의 rising time을 고려한 실험 설계가 필요할 것으로 판단된다.
- 학습, 추리, 지각, 정서 등의 다양한 인간의 인지 기능뿐만 아니라 실제 물리적인 작업 수행에 고농도의 산소 공급이 어떠한 변화를 유발하는지에 대한 연구도 필요할 것이다. 또한 고농도 산소 공급의 긍정적인 효과뿐만 아니라 인간의 다양한 신체적 및 정신적 부정적 효과에 대한 검증 연구도 필요할 것이다. 마지막으로 실제 다양한 작업 및 사무 환경 개선에 어떻게 적용할 수 있는지에 대한 응용연구도 필수적일 것이다.
- 또한 고농도 산소 공급의 긍정적인 효과뿐만 아니라 인간의 다양한 신체적 및 정신적 부정적 효과에 대한 검증 연구도 필요할 것이다. 마지막으로 실제 다양한 작업 및 사무 환경 개선에 어떻게 적용할 수 있는지에 대한 응용연구도 필수적일 것이다.
- 향후 산소 농도, 산소 공급 시간 등의 변수가 인지 처리에 미치는 영향에 대한 연구가 필요할 것이다. 학습, 추리, 지각, 정서 등의 다양한 인간의 인지 기능뿐만 아니라 실제 물리적인 작업 수행에 고농도의 산소 공급이 어떠한 변화를 유발하는지에 대한 연구도 필요할 것이다. 또한 고농도 산소 공급의 긍정적인 효과뿐만 아니라 인간의 다양한 신체적 및 정신적 부정적 효과에 대한 검증 연구도 필요할 것이다.
- 향후 산소 농도, 산소 공급 시간 등의 변수가 인지 처리에 미치는 영향에 대한 연구가 필요할 것이다. 학습, 추리, 지각, 정서 등의 다양한 인간의 인지 기능뿐만 아니라 실제 물리적인 작업 수행에 고농도의 산소 공급이 어떠한 변화를 유발하는지에 대한 연구도 필요할 것이다.
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