선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구 결과는 정상 대학생을 대상으로 학업성취도에 따라 시각적 작동 기억에 차이가 있는지를 뇌기능 영상기법을 이용하여 밝히고자 한 실험적인 연구이다. 따라서 본 연구 결과에 대해서는 몇 가지 확인이 필요한데 첫째, 본 연구의 가설과 일치하는 원인으로 전반적인 인지에는 큰 문제가 없는 정상 대학생들에서도 학업성취도의 차이를 보이는 두 군은 작동 기억에 유의한 차이를 보인다고 생각할 수 있다.
- 본 연구는 정상 대학생을 대상으로 학업성취도가 높은 군과 낮은 군을 대상으로 시각적 작동 기억 과제를 수행하게 하여, 두 군 간에 뇌 활성화 영상에서 어느 부위에 얼마만큼의 차이가 있는지를 알아보는데 그 목적이 있다.
제안 방법
- BOLD 영상을 얻기 위해서 사용된 영상변수로는 TR(repetition time)/TE(time to echo)=3000/30 msec, 숙임각(flip angle) 90°, FOV(field of view) 22×22 cm, matrix 64×64, 절편두께 6 mm, NEX(number of excitation) 1, 절편수 25로 하였고, 이때 사용된 펄스는 경사에코 영상기법(gradient-echo echo plannar imaging: GRE-EPI) 펄스파형이었다.
- MR scanner를 통하여 대뇌피질을 활성화하기 위하여 beam projector를 이용하여 전산화신경인지검사 (Computerized Neurocognitive Function Test)에서 시각재 인검사로 이용된 점과 선으로 구성된 도형 영상을 0.5초(sec)단위로 동영상 파일로 편집하여 시각 자극으로 제시하였다. 이때 head coil에 부착된 거울을 통하여 반투명 스크린에 투영되는 영상을 보면서 대뇌피질의 활성화를 유도하였다.
- 각 과제별로 유의수준 (P<0.05)을 기준으로 하여 활성화 지도(activation map) 를 얻은 후 표준화된 T1 강조영상에 중첩하여 최종적인 기능적 자기공명영상을 얻었다.
- 검은 바탕에 십자가를 응시하는 휴지기가 30초 간 제시되었고, 부호화(encoding)는 원과 사각형, 삼각형, 선, 점의 조합으로 이루어진 도형이 0.5초 동안 제시되었다가 사라지며 15개의 도형이 2초에 한 개씩 제시하였다. 바로 연결해서 제시된 도형과 유사하게 도안된 15개의 간섭도형과 함께 30개의 도형을 30초 동안 화면에 보여주며, 보았던 도형을 눈으로 찾게 하는 인출(retrieval)을 하게 하였다.
- 5초 동안 제시되었다가 사라지며 15개의 도형이 2초에 한 개씩 제시하였다. 바로 연결해서 제시된 도형과 유사하게 도안된 15개의 간섭도형과 함께 30개의 도형을 30초 동안 화면에 보여주며, 보았던 도형을 눈으로 찾게 하는 인출(retrieval)을 하게 하였다. 다시 30초의 휴지기를 준 후이 과정을 한 번 더 반복하였다.
- 본 연구에서 제시된 과제 수행을 정보처리모형 (information processing model)을 이용하여 해석해 보면 외부로부터 주어진 자극은 감각 수용기를 통해 감각 기억에 일시 보관되고, 다시 일시 보관된 정보 자극은주의(attention)와 시연(rehearsal)과 같은 활동을 통해 작동(단기)기억에서 의미화 과정을 거치게 되는데, 기존 지식 기반과 관련해 의미 있게 처리된 정보는 장기 기억에 보관되는 과정을 거치게 된다[4].
- 1과 같은 프로토콜로 얻은 기초 MR영상들을 BOLD영상으로 만들기 위해 Matlab 기반에서 운용되는 fMRI분석 소프트웨어인 SPM99 프로그램(statistical parametric mapping99, The Wellcome Department of Cognitive Neurology, University College London, UK)을 이용하였다. 실험 중에 발생하는 움직임에 의한 오류를 보정하고 표준화된 영상을 얻기 위하여 움직임 보정(motion correction)과 재정렬(realignment) 과정을 거친후, Talairach space 상에서 global normalization을 하였고 다시 신호대잡음비(signal to noise ration: SNR)를 높이기 위해 Gaussian filter를 이용한 smoothing을 하였다. 시간 순서에 따라 휴지기와 활성기의 design matrix를 만들고, 이를 휴지기와 활성기의 영상들의 화소(pixel) 단위로 t-test를 시행하였다.
- 5초(sec)단위로 동영상 파일로 편집하여 시각 자극으로 제시하였다. 이때 head coil에 부착된 거울을 통하여 반투명 스크린에 투영되는 영상을 보면서 대뇌피질의 활성화를 유도하였다. 기능적 자기공명영상법에서는 손을 움직일 수 없으므로 눈으로만 보고 검사를 수행할 수 있도록 사전에 숙지시켰다.
- 다시 30초의 휴지기를 준 후이 과정을 한 번 더 반복하였다. 제시된 프로토콜은총 210초 동안 70phase를 수행하게 하였다 (Fig. 1).
대상 데이터
- 2010년 3월부터 2010년 4월까지 G대학 3학년 학생들을 대상으로 하였고, 사전 설문에서 학업 장애요인이 학업성취도에 50%미만의 영향을 미친다고 응답한 학생 중 오른손잡이인 20명을 대상으로 하였다. 이들은 먼저 전반적인 인지능력과 운동능력에 이상이 없는지를 평가하기 위하여 전산화 신경인지검사 중 숫자 폭 검사(digit span test)와 손가락 두드리기 검사 (Finger tapping test)를 통하여 정상군의 범위에 포함됨을 확인하였고, 두 군 간의 검사결과에는 유의한 차이를 보이지 않았다.
- 기능적 자기공명영상을 얻기 위해서 3.0T Forte MR Scanner(Isole technology, KOREA)와 표준 bird cage 형의 head coil을 사용하였다. BOLD 영상을 얻기 위해서 사용된 영상변수로는 TR(repetition time)/TE(time to echo)=3000/30 msec, 숙임각(flip angle) 90°, FOV(field of view) 22×22 cm, matrix 64×64, 절편두께 6 mm, NEX(number of excitation) 1, 절편수 25로 하였고, 이때 사용된 펄스는 경사에코 영상기법(gradient-echo echo plannar imaging: GRE-EPI) 펄스파형이었다.
데이터처리
- Fig. 1과 같은 프로토콜로 얻은 기초 MR영상들을 BOLD영상으로 만들기 위해 Matlab 기반에서 운용되는 fMRI분석 소프트웨어인 SPM99 프로그램(statistical parametric mapping99, The Wellcome Department of Cognitive Neurology, University College London, UK)을 이용하였다. 실험 중에 발생하는 움직임에 의한 오류를 보정하고 표준화된 영상을 얻기 위하여 움직임 보정(motion correction)과 재정렬(realignment) 과정을 거친후, Talairach space 상에서 global normalization을 하였고 다시 신호대잡음비(signal to noise ration: SNR)를 높이기 위해 Gaussian filter를 이용한 smoothing을 하였다.
- 그룹 내 분석은 학업성취도 상위군과 하위군의 부호화와 인출로 나누어 휴지기에 비해 활성화된 뇌 영역을 일표본 t-검정(One sample t-test)을 통해 유의수준 95%로 실시하였다. 이때 50 voxel이하 활성화는 제거 하였다.
- 이때 50 voxel이하 활성화는 제거 하였다. 두 군의 과제별 활성화 차이를 보기 위한 그룹 간 분석은 부호화와 인출의 개인별 활성화 결과들을 독립표본 t-검정(2 sample t-test)을 실시하였고, 두군 간에 유의한 차이가 있는 대뇌 활성화 영상을 얻었다. 이때 유의수준은 95%로 하였고, 50 voxel이하 활성화는 제거하였다.
- 실험 중에 발생하는 움직임에 의한 오류를 보정하고 표준화된 영상을 얻기 위하여 움직임 보정(motion correction)과 재정렬(realignment) 과정을 거친후, Talairach space 상에서 global normalization을 하였고 다시 신호대잡음비(signal to noise ration: SNR)를 높이기 위해 Gaussian filter를 이용한 smoothing을 하였다. 시간 순서에 따라 휴지기와 활성기의 design matrix를 만들고, 이를 휴지기와 활성기의 영상들의 화소(pixel) 단위로 t-test를 시행하였다. 각 과제별로 유의수준 (P<0.
- 05)을 기준으로 하여 활성화 지도(activation map) 를 얻은 후 표준화된 T1 강조영상에 중첩하여 최종적인 기능적 자기공명영상을 얻었다. 이때, 활성화된 영역의 해부학적인 위치를 정하기 위해 MRIcro 1.39프로그램을 활용하였다.
성능/효과
- 특히 좌측 하전두엽과 뇌섬엽(insula)이 만나는 부분의 활성화가 가장 높게 나타났다. 그러나 전두엽의 가장 앞 부분인 상전두엽(BA 10)에서는 하위군에서 높은 활성화를 보였고, BA 46번의 경우 상위군의 우측에서 더 높은 활성화를 보인 것으로 나타났다. 두정엽의 경우 상두정회(7)와 하두정회(inferior parietal gyrus,40)에서는 상위군에서 높았으나 각회(angular gyrus)의 경우 모두 하위군에서 높은 활성화를 보였다.
- 작동 기억 처리과정 중 조작, 통합, 실행 기능의 조절에 관여한다고 알려진 전전두영역(BA 46)의 활성화를 먼저 살펴보면, 개인별 활성화 결과에서 학업성취도 하위군의 경우에도 BA 46번 영역의 활성화가 관찰되기는 하나 대체로 상위군에 비해 활성화가 약하였다. 그룹 간 분석결과에서는 그 차이가 뚜렷이 나타나는데 상위군이 하위군에 비해 우측 BA 46번영역의 활성화가 부호화와 인출 모두에서 우세한 것으로 나타났다. 특히 부호화에서 활성화 차이가 더 크게 나타났고, 상대적으로 인출에서는 오히려 BA 44영역의 활성화 차이가 더 크게 나타났다.
- 따라서 본 연구 결과에 대해서는 몇 가지 확인이 필요한데 첫째, 본 연구의 가설과 일치하는 원인으로 전반적인 인지에는 큰 문제가 없는 정상 대학생들에서도 학업성취도의 차이를 보이는 두 군은 작동 기억에 유의한 차이를 보인다고 생각할 수 있다. 둘째, 본 연구에서 실시한 시각적 작동 기억 과제가 작동 기억을 담당하는 BA 46번 영역을 상당히 자극한다고 할 수 있다. 셋째, 작동 기억에 큰 차이를 보일 만큼 대상군 선정에 문제가 있지 않았는지 의문을 가져볼 수 있다.
- 먼저 세 번째의 대상군 선정의 문제점은 학업성취도에 영향을 줄 수 있는 여러 요인을 설문을 통해 배재하였으며, 전반적 인지능력이 정상군 범위에 속하는지를 검증하여 두 군 간에 유의한 차이가 없었다. 따라서 대상군 선정에 문제가 없다는 가정 하에 두 번째 제시된 시각적 작동 기억 과제에 관해 살펴보면 전산화신경인지검사에서 시각 재인검사로 이용되는 점과선으로 이루어진 도형을 30초간 15개를 제시하여 부호화하게 하였고, 다시 30초간 15개의 간섭 도형이 섞인 30개 도형 중 제시된 도형 15개를 고르게 하는 자극이 제시되었다. 자극 제시의 시간과 부하가 도형을 10개 이상 기억하기 어려운 적당한 수준의 과제였으며, 두번의 반복으로 이를 모두 기억하기란 쉽지 않기 때문에 시각적 작동 기억을 평가하는데 문제가 없었다.
- 자극 제시의 시간과 부하가 도형을 10개 이상 기억하기 어려운 적당한 수준의 과제였으며, 두번의 반복으로 이를 모두 기억하기란 쉽지 않기 때문에 시각적 작동 기억을 평가하는데 문제가 없었다. 또한 자극 제시 시간과 대뇌 활성화 강도를 살펴볼 때 fMRI를 이용한 시각적 작동 기억 검사에 주로 이용되는 n-back test나 visual span test의 경우 1-2초 미만의 짧은 자극 제시 시간동안 뇌 활성화를 보는 event-related 기법인데 반하여 본 연구에서 이용한 자극의 경우 부호화와 인출을 30초씩 제시하는 block design 패러다임 기법을 선택하여 기존의 연구 결과에 비해 더 높은 대뇌 활성화를 기대할 수 있다. 이상의 문제점들이 통제된 상황에서 본 연구 가설에서 제시한 것과 같이 배측 전전두엽 영역의 활성화 차이는 정상 대학생의 학업성취도의 차이에 따른 작동 기억의 차이를 나타내는 결과라 할 수 있다.
- 이와 같이 부호화와 인출에서 전전두엽 부위의 다른 활성화양상을 보이는 것은 Tulving 등이 제시한 부호화와 인 출시의 전전두엽의 각기 다른 기능 수행에 관한 이론과 일치하는 부분이다[23]. 또한, PET과 fMRI를 이용한 작동 기억의 부호화와 인출 연구에서 활성화된 배측 전전두영역 (dorsal lateral prefrontal cortex)이 본 연구에서 활성화된 BA 44, 45, 46번 영역과 일치하는 것을 알 수 있었다. 시공간 자극에서 전두엽의 경우 우반구 우세가 나타난 본 연구 결과 역시 기존 연구결과와도 일치한다 할 수 있다[22].
- 셋째, 작동 기억에 큰 차이를 보일 만큼 대상군 선정에 문제가 있지 않았는지 의문을 가져볼 수 있다. 먼저 세 번째의 대상군 선정의 문제점은 학업성취도에 영향을 줄 수 있는 여러 요인을 설문을 통해 배재하였으며, 전반적 인지능력이 정상군 범위에 속하는지를 검증하여 두 군 간에 유의한 차이가 없었다. 따라서 대상군 선정에 문제가 없다는 가정 하에 두 번째 제시된 시각적 작동 기억 과제에 관해 살펴보면 전산화신경인지검사에서 시각 재인검사로 이용되는 점과선으로 이루어진 도형을 30초간 15개를 제시하여 부호화하게 하였고, 다시 30초간 15개의 간섭 도형이 섞인 30개 도형 중 제시된 도형 15개를 고르게 하는 자극이 제시되었다.
- 본 연구를 통하여 얻은 결론은 학업성취도 상위군이 하위군에 비해 부호화과정에서는 주의력과 관련 있는 두정엽, 작동 기억이 이루어지는 배측 전전두엽에서 활성화 우세를 보였고, 인출과정에서는 우측 전전두엽과 사물의 판단과정의 시발이 되는 후두엽의 방추 상회와 설상회에서 높은 활성화를 보였다. 본 연구의 의의를 살펴보면 학업성취도에 차이에 따른 시각적 작동 기억능력의 차이를 뇌기능 영상을 이용하여 시각화하였고 향후 교육공학적 측면에서 이러한 결과를 의미 있게 이용할 수 있을 것으로 생각한다.
- 또한 자극 제시 시간과 대뇌 활성화 강도를 살펴볼 때 fMRI를 이용한 시각적 작동 기억 검사에 주로 이용되는 n-back test나 visual span test의 경우 1-2초 미만의 짧은 자극 제시 시간동안 뇌 활성화를 보는 event-related 기법인데 반하여 본 연구에서 이용한 자극의 경우 부호화와 인출을 30초씩 제시하는 block design 패러다임 기법을 선택하여 기존의 연구 결과에 비해 더 높은 대뇌 활성화를 기대할 수 있다. 이상의 문제점들이 통제된 상황에서 본 연구 가설에서 제시한 것과 같이 배측 전전두엽 영역의 활성화 차이는 정상 대학생의 학업성취도의 차이에 따른 작동 기억의 차이를 나타내는 결과라 할 수 있다.
- 작동 기억 처리과정 중 조작, 통합, 실행 기능의 조절에 관여한다고 알려진 전전두영역(BA 46)의 활성화를 먼저 살펴보면, 개인별 활성화 결과에서 학업성취도 하위군의 경우에도 BA 46번 영역의 활성화가 관찰되기는 하나 대체로 상위군에 비해 활성화가 약하였다. 그룹 간 분석결과에서는 그 차이가 뚜렷이 나타나는데 상위군이 하위군에 비해 우측 BA 46번영역의 활성화가 부호화와 인출 모두에서 우세한 것으로 나타났다.
- 그룹 간 분석결과에서는 그 차이가 뚜렷이 나타나는데 상위군이 하위군에 비해 우측 BA 46번영역의 활성화가 부호화와 인출 모두에서 우세한 것으로 나타났다. 특히 부호화에서 활성화 차이가 더 크게 나타났고, 상대적으로 인출에서는 오히려 BA 44영역의 활성화 차이가 더 크게 나타났다. 이와 같이 부호화와 인출에서 전전두엽 부위의 다른 활성화양상을 보이는 것은 Tulving 등이 제시한 부호화와 인 출시의 전전두엽의 각기 다른 기능 수행에 관한 이론과 일치하는 부분이다[23].
후속연구
- 본 연구를 통하여 얻은 결론은 학업성취도 상위군이 하위군에 비해 부호화과정에서는 주의력과 관련 있는 두정엽, 작동 기억이 이루어지는 배측 전전두엽에서 활성화 우세를 보였고, 인출과정에서는 우측 전전두엽과 사물의 판단과정의 시발이 되는 후두엽의 방추 상회와 설상회에서 높은 활성화를 보였다. 본 연구의 의의를 살펴보면 학업성취도에 차이에 따른 시각적 작동 기억능력의 차이를 뇌기능 영상을 이용하여 시각화하였고 향후 교육공학적 측면에서 이러한 결과를 의미 있게 이용할 수 있을 것으로 생각한다. 향후 전산화 신경인지도구를 이용한 작동 기억과 대뇌 활성화의 연관성에 관한 연구가 필요하며, 나아가서는 보다 통제된 동일 집단 내에서 규제 요구 유․무에 따른 대뇌 활성화의 차이에 관한 연구가 수행된다면 작동 기억 기제에 관한 심도 있는 이해가 가능할 것으로 생각된다.
- 본 연구의 제한점으로는 시각적 작동 기억 자극이 제시되는 동안 피검자가 몇 개의 정답을 어느 정도 정확히 맞추는지 확인이 불가능하였다는 점이다. 기능적자기공명영상을 획득하는 동안 기술적으로 피검자가 손을 움직여 정답을 표시할 수 있는 시스템이 갖추어 지지 않았고, 또한 시스템이 갖추어진다 하더라도 손의 움직임과 관련된 대뇌 활성화가 강하게 나타나 관찰하고자 했던 영역의 활성화에 영향을 미칠 수 있는 문제점을 안고 있다.
- 본 연구에서 제시된 자극은 기존 지식과는 연관이 없으므로 인지전략의 사용 유무가 중요한데 본 실험에 참가한 학생의 실험 후 설문에서 이러한 인지전략을 사용한 학생과 그렇지 않은 학생이 상위군과 하위군에 고루 분포되어있어 본 연구 결과에서는 두 군의 활성화 차이가 이러한 인지전략의 차이와는 관계가 없는 것으로 보인다. 향후 이와 같은 인지전략의 사용 유무에 따른 대뇌 활성화 차이에 대한 연구가 이루어져야 할 필요가 있다.
- 본 연구의 의의를 살펴보면 학업성취도에 차이에 따른 시각적 작동 기억능력의 차이를 뇌기능 영상을 이용하여 시각화하였고 향후 교육공학적 측면에서 이러한 결과를 의미 있게 이용할 수 있을 것으로 생각한다. 향후 전산화 신경인지도구를 이용한 작동 기억과 대뇌 활성화의 연관성에 관한 연구가 필요하며, 나아가서는 보다 통제된 동일 집단 내에서 규제 요구 유․무에 따른 대뇌 활성화의 차이에 관한 연구가 수행된다면 작동 기억 기제에 관한 심도 있는 이해가 가능할 것으로 생각된다.
- 기능적자기공명영상을 획득하는 동안 기술적으로 피검자가 손을 움직여 정답을 표시할 수 있는 시스템이 갖추어 지지 않았고, 또한 시스템이 갖추어진다 하더라도 손의 움직임과 관련된 대뇌 활성화가 강하게 나타나 관찰하고자 했던 영역의 활성화에 영향을 미칠 수 있는 문제점을 안고 있다. 향후, 실제 fMRI검사 중에 작동기억용량과 대뇌 활성화를 동시에 측정할 수 있는 방법의 모색이 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.