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문제 정의
- 하기 위해서는 집행기능의 감퇴를 평가하는 것이 필요하며, 또한 혈관성 치매환자에게 집행기능은 작업치료 과정에서 회복을 촉진시키는데 중요한 역할을 하며 따라서 그 손상 기전에 대한 이해는 중요하다. 본 연구에서는 기능적 자기공명 영상 기법(fMRI) 을 이용하여 집행기능 수행에 동반되는 뇌 활성화 영역을 파악하고자 하였다.
- 본 연구에서는 집행기능 수행에 동반된 뇌 활성화 영역을 파악하고자 단어-색채검사의 집행 능력 중 억제능력을 평가하였다. 억제(inhibition)는 부적절하고 산만한 자극의 처리를 억제하는 능력(인지적 억제)과 행동을 억제하는 능력(반응 억제)이 있다.
- 39 프로그램을 이용하여 해부학적 영역과 브로드만 영역 Brodmann's area)을 결정하였다. 본 연구에서는 활성화 영역 중 가장 높은 신호 값을 가지는 좌표를 대표 좌료로 표시하였다.
제안 방법
- MR scanner를 통하여 대뇌피질을 활성화하기 위하여 beam projector를 이용하여 영상을 시간단위로 동영상으로 제시하였다. 이때 head coil에 부착된 거울을 통하여 반투명 스크린에 투영되는 영상을 보면서 대뇌 피질의 활성화를 유도하였다.
- 각 과제별로 유의수준(P<.05)을 기준으로 하여 활성화 지도 (activation map)를 얻어 이를 표준화된 T1 강조영상에 중첩하여 최종적인 기능적 자기공명영상을 얻었다.
- 검은 바탕에 십자가를 응시하는 휴지기가 30초 간 제시되었고, 이 후 소리 내어 말할 때 활성화를 제거하기 위하여 빨강, 파랑, 노랑, 초록이라고 쓰인 단어를 마음속으로 읽게 하는 읽기 과제를 수행하게 하였다. 이어 입의 움직임을 최소한으로 하여 읽게 하는 단어 읽기 과제를, 이어 4개의 색깔 카드의 색을 말하게 하는 색채 말하기 과제를, 그리고 4개의 색깔과 일치하게 쓰인 색단어를 읽게 하는 색단어 단어읽기 과제를 제시하였고 마지막으로 색깔과 일치하지 않는 색단어의 색깔을 말하게 하는 Stroop 간섭 과제인 색단어-색채말하기 과제가 제시되었다.
- 기능적 자기공명영상 실험은 한국어로 번안된 전산화 신경인지도구인 CNT V4.0(maxmedica, 2005) 중 단어-색체 검사 과제를 30초간의 자극제시 시간에 맞게 수정하여 제시하였으며 검사 전 · 후에 해당 연구소의 설문을 통해 신체적 이상을 확인하였다.
- 기능적 자기공명영상을 얻기 위해서 표준 bird cage 형의 head coil을 사용하였으며, 이때 사용된 영상변수 로는 TR(repetition time)/TE(time to echo)=3000/30msec, 숙임각(flip angle) 90°, FOV(field of view) 22× 22cm, matrix 64× 64, 절편두께 6mm, NEX(number of excitation) 1, 절편수 25 로 하였다.
- 이어 입의 움직임을 최소한으로 하여 읽게 하는 단어 읽기 과제를, 이어 4개의 색깔 카드의 색을 말하게 하는 색채 말하기 과제를, 그리고 4개의 색깔과 일치하게 쓰인 색단어를 읽게 하는 색단어 단어읽기 과제를 제시하였고 마지막으로 색깔과 일치하지 않는 색단어의 색깔을 말하게 하는 Stroop 간섭 과제인 색단어-색채말하기 과제가 제시되었다. 모든 과제는 30 초간 제시되었으며 총 210초 동안 70phase를 수행하게 하였다[Fig. 1].
- 보다 명확한 해부학적 위치를 알기 위하여 국제적으로 통용되고 있는 표준 해부학적 영상을 기초로 한 MRIcro 1.39 프로그램을 이용하여 해부학적 영역과 브로드만 영역 Brodmann's area)을 결정하였다.
- 1기반에서 운용되는 fMRI분석 소프트웨어인 SPM 99 분석 프로그램(statistical parametric mapping 99, The Welcome 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 거친 후, 개개인의 다른 뇌의 형태를 표준화된 템플릿과 일치시키기 위한 표준화(normalization)를 하였고, 다시 신호대잡음비(signal to noise ratio: SNR)를 높이기 위해 Gaussian filter를 이용한 smoothing을 하였다. 이를 화소(pixel) 단위로 휴지기와 활성기로 나누어 t-test를 시행하였다.
- 이를 표준 해부학적 영상에 중첩시켜 뇌 활성화 영상을 얻었다. 억제능력을 알아보기 위해 단어-색채검사 중 색과 단어가 일치하지 않는 과제에서 색과 단어가 일치 하는 과제의 활성화를 차감하여 활성화 영역을 분석 하였다.
- MR scanner를 통하여 대뇌피질을 활성화하기 위하여 beam projector를 이용하여 영상을 시간단위로 동영상으로 제시하였다. 이때 head coil에 부착된 거울을 통하여 반투명 스크린에 투영되는 영상을 보면서 대뇌 피질의 활성화를 유도하였다. 기능적 자기공명영상법에서는 손을 움직일 수 없으므로 눈으로만 보고 검사를 수행할 수 있도록 사전에 숙지시켰다.
- 05)을 실시하여 활성화 영상을 생성시켰다. 이를 표준 해부학적 영상에 중첩시켜 뇌 활성화 영상을 얻었다. 억제능력을 알아보기 위해 단어-색채검사 중 색과 단어가 일치하지 않는 과제에서 색과 단어가 일치 하는 과제의 활성화를 차감하여 활성화 영역을 분석 하였다.
- 이상에서 기술한 과정을 통하여 제시된 시각자극에 의해 일어나는 대뇌 피질의 활성화 영역을 확인하였다. 활성화된 영역의 정확한 위치를 정하기 위해 해부학적 영역과 브로드만 영역을 확인할 수 있는 MRIcro1.
대상 데이터
- 기능적 자기공명 영상법의 프로토콜에 맞게 변형한 단어-색채 과제를 제시하여 수행한 결과, 색단어 색깔과 단어의 의미가 일치하지 않는 경우에서 색깔과 단어의 의미가 일치하는 과제의 활성화를 차감한 경우, 즉 억제기능에 관련된 영역의 뇌 활성화를 파악하였다. 그러나 기능적 자기공명 영상 실험 도중 실험자들이 색채에 대한 정확한 분별력이 떨어져 색채를 인지 하지 못한 실험자들이 있어 대상자 10명 중 2명이 실험상 오류로 나타나 실험분석에서 제외하였고, 그중 정상적으로 실험에 응한 8명만을 분석하였다.
- 기능적 자기공명 영상 실험 중 실험자들이 색채에 대한 정확한 분별력이 떨어져 색채를 인지하지 못한 실험자들이 있어 대상자 10명 중 2명이 실험상 오류로 나타나 실험분석에서 제외하였고, 그중 정상적으로 실험에 응한 남자 4, 여자4명, 총 8명만을 분석하였다.
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1. 연구 대상
대학생 10명의 정상성인(남자 4, 여자 6)이 실험에 참여하였으며, 모두 폐쇄공포증이 없고 금속을 삽입한 수술의 경험이 없는 평균 나이 24.5 세였다. 대상자의 선정은 신경과적 병력, 정신과적 병력, 약물 혹은 물질 남용, 인지 기능에 영향을 미칠 수 있는 내과 질환이나 검사가 불가능할 정도의 시력 또는 청력손상 등이 있는 대상은 배제하였으며 모두 설문지 및 실험 동의서 작성에 동의하였다.
데이터처리
- 개인별로 수행한 단어-색채 검사(Word-Color Test)의 뇌 활성화 영상을 얻기 위하여 SPM 99 프로그램을 이용하여 영상 재정렬(realignment), 표준화(nomalization)를 실시한 후 시간 순서대로 격자화하고, 각 영상 픽셀의 신호강도에 유의한 차이가 있는지를 알아보기 위해 휴지기와 활성기로 나누어 독립표본 t-검정(p<.05)을 실시하여 활성화 영상을 생성시켰다.
- 실험 중에 발생하는 움직임에 의한 오류를 보정하고 표준화된 영상을 얻기 위하여 움직임 보정(motion correction)과 재정렬(realignment) 과정을 거친 후, 개개인의 다른 뇌의 형태를 표준화된 템플릿과 일치시키기 위한 표준화(normalization)를 하였고, 다시 신호대잡음비(signal to noise ratio: SNR)를 높이기 위해 Gaussian filter를 이용한 smoothing을 하였다. 이를 화소(pixel) 단위로 휴지기와 활성기로 나누어 t-test를 시행하였다. 각 과제별로 유의수준(P<.
- 이상에서 얻은 기본적인 MRI 영상들을 BOLD영상으로 만들기 위해 Matlab 6.1기반에서 운용되는 fMRI분석 소프트웨어인 SPM 99 분석 프로그램(statistical parametric mapping 99, The Welcome 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 거친 후, 개개인의 다른 뇌의 형태를 표준화된 템플릿과 일치시키기 위한 표준화(normalization)를 하였고, 다시 신호대잡음비(signal to noise ratio: SNR)를 높이기 위해 Gaussian filter를 이용한 smoothing을 하였다.
- 이상에서 기술한 과정을 통하여 제시된 시각자극에 의해 일어나는 대뇌 피질의 활성화 영역을 확인하였다. 활성화된 영역의 정확한 위치를 정하기 위해 해부학적 영역과 브로드만 영역을 확인할 수 있는 MRIcro1.39 프로그램을 활용하였다.
이론/모형
- 기능적 자기공명영상을 얻기 위해서 표준 bird cage 형의 head coil을 사용하였으며, 이때 사용된 영상변수 로는 TR(repetition time)/TE(time to echo)=3000/30msec, 숙임각(flip angle) 90°, FOV(field of view) 22× 22cm, matrix 64× 64, 절편두께 6mm, NEX(number of excitation) 1, 절편수 25 로 하였다. 이때 사용된 펄스는 경사에코 영상기법(gradient-echo Echo Plannar Imaging:GRE-EPI) 펄스파형이었다. EPI 영상이 평형기 (equilibrium state)를 이루기 전의 높은 신호를 보정하기 위해 뇌 활성화 영상을 얻기 전에 9초(3 phase)의 모조 영상(dummy scan)을 추가로 얻었으며, 이 모조영상은 영상 분석에서는 제외하였다.
성능/효과
- SPM 의 t-test를 통하여 얻은 색단어-색채 말하기 검사 수행 시 남성과 여성의 평균적인 활성화 영상을 나타내었다(Fig. 2). 뇌 활성화 우위 영역은 남성의 경우, 내측 전전두엽(prefrontal lobe), 전대상회(anterior cingulate gyrus), 두정엽(parietal lobe) 순으로 활성화를 보였고, 여성의 경우, 시각 전두영역(orbitofrontal gyrus,38), 측두엽(temporal lobe), 두정엽(parietal lobe) 순으로 활성화를 보였다.
- 기능적 자기공명 영상법의 프로토콜에 맞게 변형한 단어-색채 과제를 제시하여 수행한 결과, 색단어 색깔과 단어의 의미가 일치하지 않는 경우에서 색깔과 단어의 의미가 일치하는 과제의 활성화를 차감한 경우, 즉 억제기능에 관련된 영역의 뇌 활성화를 파악하였다. 그러나 기능적 자기공명 영상 실험 도중 실험자들이 색채에 대한 정확한 분별력이 떨어져 색채를 인지 하지 못한 실험자들이 있어 대상자 10명 중 2명이 실험상 오류로 나타나 실험분석에서 제외하였고, 그중 정상적으로 실험에 응한 8명만을 분석하였다.
- 남성과 여성의 대뇌 활성화가 높은 영역을 해부학적 영역과 브로드만 영역, 그리고 x,y,z축으로 나타난 MNI 좌표와 t값을 [Table 1]에서 나타내었다. 남성이 유의한 활성화 우위를 보이는 영역은 시각 전두영역(orbitofrontal gyrus,38), 부운동영역(supplementary motor area,6), 소뇌(cerebellum), 중측두회(middle temporal gyrus, 21) 등의 순으로 나타났고, 여성이 활성화 우위를 보이는 영역은 소뇌(cerebellum), 중심전회(precentral gyrus6), 상연회(supra marginal gyrus), 조거구열(calcarine fissure,17) 등의 순으로 나타났다.
- 두 성별간의 활성우위 비교에서는 남성의 경우 SMA, inferior frontal, orbitofrontal 등에서 여성에 비해 활성화가 높게 나타났는데 SMA와 oribitofrontal의 경우 안구운동 등에 보다 민감하게 반응한 것이 아닌가 하는 추측을 할 수 있다. 여성의 경우 남성에 비해 더 높은 활성화를 보인 영역은 전전두영역, 소뇌 등으로 나타나 역시 운동에 관여된 영역의 높은 활성화를 보였다.
- 본 연구에서는 기능적 자기공명 영상 기법(fMRI)을 이용하여 집행기능 수행에 동반되는 뇌 활성화 영역을 파악한 결과, 집행기능과 관련 있는 내측 전전두엽(medial prefrontal), 전 대상회(anterior cingulate gyrus), 두정엽(parietal lobe), 시각 전두영역(orbitofrontal area), 측두엽(temporal lobe) 등에서 활성화가 일어남을 알 수 있었다. 남녀 간 결과에 차이를 보이기는 하였지만 실험 참여자의 수가 제한된 관계로 본 결과가 정상인을 대표한다고 하기에는 무리가 있다.
- 두 성별간의 활성우위 비교에서는 남성의 경우 SMA, inferior frontal, orbitofrontal 등에서 여성에 비해 활성화가 높게 나타났는데 SMA와 oribitofrontal의 경우 안구운동 등에 보다 민감하게 반응한 것이 아닌가 하는 추측을 할 수 있다. 여성의 경우 남성에 비해 더 높은 활성화를 보인 영역은 전전두영역, 소뇌 등으로 나타나 역시 운동에 관여된 영역의 높은 활성화를 보였다.
- 1참조]. 이 결과 역시 stroop 억제효과에서도 남자의 경우 기존의 연구에서 알려진 전대상회(anterior cingulate gyrus)에서 활성화가 두드러져 효과적인 수행을 하였고, 여자의 경우 남자에 비해 작동기억에 관련된 배측 전대상회(dorsal anterior cinglate)와 하전두엽(inferior frontal)에서 활성화가 두드러져 남자에 비해 과제수행에 어려움이 있었다고 추측할 수 있다. 단어-색채 검사를 이용한 정상군과 강박장애 환자의 fMRI 연구결과에서도 두 대상자의 활성화 패턴은 비슷하였고 전대상회(anterior cingulate gyrus), 미상핵(caudate nucleus), 전전두엽(prefrontal)의 약간의 활성화 차이가 관찰되었다는 보고는 전두엽과 전대상회의 연결구조 에서 억제능력이 이루어짐을 보여주는 결과로 본 연구 결과와 일치하였다[4].
- 검은 바탕에 십자가를 응시하는 휴지기가 30초 간 제시되었고, 이 후 소리 내어 말할 때 활성화를 제거하기 위하여 빨강, 파랑, 노랑, 초록이라고 쓰인 단어를 마음속으로 읽게 하는 읽기 과제를 수행하게 하였다. 이어 입의 움직임을 최소한으로 하여 읽게 하는 단어 읽기 과제를, 이어 4개의 색깔 카드의 색을 말하게 하는 색채 말하기 과제를, 그리고 4개의 색깔과 일치하게 쓰인 색단어를 읽게 하는 색단어 단어읽기 과제를 제시하였고 마지막으로 색깔과 일치하지 않는 색단어의 색깔을 말하게 하는 Stroop 간섭 과제인 색단어-색채말하기 과제가 제시되었다. 모든 과제는 30 초간 제시되었으며 총 210초 동안 70phase를 수행하게 하였다[Fig.
- 집행기능 중 순수하게 억제능력에 관여하는 뇌 영역을 알아 보기위해 색단어-색채 말하기검사 중 단어의 색깔과 의미가 일치하지 않는 경우에서 일치하는 경우를 차감하여 분석한 결과 남자에서는 내측 전전 두영역(medial prefrontal)과 전대상회(anterior cingulate gyrus)에서 활성화가 두드러졌고, 여자의 경우 하전두회(inferior frontal)와 시각영역(orbitofrontal) 및 외측 전전두 영역(lateral prefrontal)에서 활성화가 폭넓게 나타 났다[Fig. 1참조]. 이 결과 역시 stroop 억제효과에서도 남자의 경우 기존의 연구에서 알려진 전대상회(anterior cingulate gyrus)에서 활성화가 두드러져 효과적인 수행을 하였고, 여자의 경우 남자에 비해 작동기억에 관련된 배측 전대상회(dorsal anterior cinglate)와 하전두엽(inferior frontal)에서 활성화가 두드러져 남자에 비해 과제수행에 어려움이 있었다고 추측할 수 있다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 비록 정상인을 대상으로 하였으나 집행기능을 수행하는 뇌 활성화 영역을 확인함으로써 이를 뇌손상환자나 치매 환자에게 보다 확대하여 데이터를 축적한다면 향후 뇌손상환자의 치료에 중요한 뇌가소성을 증진시키는 효과적인 인지 치료방법을 개발하는데 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다.
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