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문제 정의
- 본 연구에서는 81명의 청소년들의 피험자를 대상으로 도형 유추 과제를 수행할 때 대뇌와 소뇌가 함께 기능하는 영역과 그 영역별 활성도가 지능에 따라 어떻게 차이가 나는지를 fMRI 영상을 활용해 분석하고자 하였다.
- 본 연구에서는 인지검사와 뇌기능 검사를 실시하였다. 인지검사 도구로는 일반 지능(IQ)을 알아보기 위해 K–WAIS를, 뇌기능을 분석하기 위한 도구는 피험자들이 과제를 수행할 때 뇌의 활성 부위와 활성 정도를 알아보기 위해 fMRI를 사용하였다.
- 본 연구에서는 피험자들이 도형 유추 과제를 수행할 때 뇌 활성 영역과 지능과의 관련성을 알아보고자 하였다. 피험자 규모의 경우 기존 소뇌의 인지 기능 관련 연구가 10명 내외인 반면 본 연구는 81명으로 크게 늘렸다.
제안 방법
- (추상적인 문장)’과 같은 문장을 이용해 피험자들이 추론하도록 하였으며, 이번 연구에서는 [그림 1]과 같은 도형을 본 뒤 도형의 결합을 유추하도록 했다.
- 도형 유추 과제를 수행할 때 나타난 지능 그룹별 기능성자기공명촬영기술(fMRI) 영상에서 뇌 활성 영역을 알아보기 위해 단순과제 수행 때의 뇌 활성 데이터를 제거하고, 복잡과제 수행 때의 뇌 활성 데이터만을 선택하였다. 그 결과 12개의 뇌 세부 영역의 활성이 모든 지능 그룹에서 나타났는데, 우측 하후두회(Occipital-Inf-R), 우측 상두정회(Parietal-Sup-R), 좌측상두정회(Parietal-Sup-L), 좌측 하후두회(Occipital-Inf-L), 좌측 소뇌층1(Cerebellum-Crus1-L),소뇌충부7(Vermis-7), 우측 소뇌층1(Cerebellum-Crus1-R), 우측 소뇌6(Cerebellum-6-R), 우측 하전두회(Frontal-Inf-Tri-R), 좌측 소뇌9(Cerebellum-9-L), 좌측 미상회(Caudate-L), 우측 미상 회(Caudate-R)가 그곳들이며, 이는 활성도 순서이기도 하다.
- 0T(Tesla) MR scanner(Siemens, MAGNETOM Verio)를 통해 얻어졌다. 먼저 과제를 수행하는 동안 EPI(echo planar image) gradient echo sequence로 기능 영상을 촬영하였다. 기능 영상은 EPI영상 촬영 시 자기공명 변수(MR parameter)는 TR(Repetition time) 2500ms, TE(Time of Echo) 30ms, FA(flip angle) 90°, 화적소(voxel) size 3.
- 과제의 모식도는 [그림 1]과 같다. 이 과제는 형태상의 차이는 없으나 g-상관도와 난이도가 다른 복잡과제와 단순과제 두 과제를 교대로 제시하는 블록설계 방법을 사용하여 제시되었다. 과제는 1회(한 블록) 당 네 개의 단순 과제(각 문제당 7.
- 5초)가 30초 동안 제시되고, 그 다음 한 문제의 복잡과제(30초)가 제시되는데, 총 19회 반복된다. 참가자들은 촬영실에 수평으로 누워 머리 위에 놓인 12cm의 LCD모니터(IFIS-SA, MRI Devices, FA USA)를 통해 제시된 문제와 우편 상단에 표시되는 초시계를 보고 각 문제 종료 3초 전에 가슴 위에 올려놓은 버튼을 눌러 답을 하였다. 과제에 대한 반응은 실시간으로 PC에 기록되었으며, 과제 제시와 기록은 모두 자동으로 이루어지도록 하였다.
- 피험자 규모의 경우 기존 소뇌의 인지 기능 관련 연구가 10명 내외인 반면 본 연구는 81명으로 크게 늘렸다. 특히 그동안 지능 관련 연구가 대뇌 위주로 이루어지고, 소뇌에서는 인지 기능 관련 연구가 이뤄졌을 뿐 지능 범주별로 나눈 연구는 없었으나 본 연구에서는 피험자들을 지능 범주별로 나눠 도형 유추 과제를 수행할 때 소뇌의 활성을 대뇌 피질 활성 영역과 함께 분석하였다. 그 결과 12개의 뇌 세부 영역의 활성이 모든 지능 그룹에서 나타났는데, 우측 하후두회, 우측 상두정회, 좌측 상두정회, 좌측 하후두회, 좌측 소뇌층1, 소뇌충부7, 우측 소뇌층1, 우측 소뇌6, 우측 하전두회, 좌측 소뇌9, 좌측 미상회, 우측 미상회가 그 영역들이다.
대상 데이터
- 5,resolution(matrix size) 64*64, measurement 89, BW 2232, FOV(Field of View) 224*224였다. axial 방향(머리 위에서 밑으로)으로 절편 두께(slice thickness) 3.5mm로 피험자 한 사람 당 절편(slice) 영상 39장씩을 얻었다. 획득된 기능성 뇌 영상은 MATLAB(Mathworks Inc.
- 기능 영상은 EPI영상 촬영 시 자기공명 변수(MR parameter)는 TR(Repetition time) 2500ms, TE(Time of Echo) 30ms, FA(flip angle) 90°, 화적소(voxel) size 3.5*3.5*3.5,resolution(matrix size) 64*64, measurement 89, BW 2232, FOV(Field of View) 224*224였다.
- 연구 대상은 두 그룹으로 인천과 부산에서 모집한 건강한 오른손잡이 남자 고교생 81명(나이 평균 16세 3개월)으로 구성하였고, 모두 fMRI 실험에 참가한 경험이 없었으며, 국제적으로 공인된 K-WAIS 지능 검사를 하였다. 그리고 그 결과를 활용해 5개 지능 범주로 나눴으며, 그 현황은 [표 1]과 같다.
데이터처리
- 5mm로 피험자 한 사람 당 절편(slice) 영상 39장씩을 얻었다. 획득된 기능성 뇌 영상은 MATLAB(Mathworks Inc. USA)R2008a 환경에서 구현되는 SPM(Statistical Parametric Mapping, version8 welcome department of cognitive neurology, London, UK) 소프트웨어를 사용하여 분석하였다. 모든 fMRI 촬영은 가천대 부설 뇌과학연구소에서 이루어졌다.
이론/모형
- ‘도형의 유추’는 시각에 의하여 지각되는 공간에서 도형들의 선의 변화, 위치와 방향, 도형구성에 대한 변화를 파악하는 것으로, 피험자들이 시공간 과제를 수행하는 동안 뇌 활성 영역과 정도를 알아보기 위하여 Lee 외(2006)가 개발한 것을 사용하였다.
- 인지검사 도구로는 일반 지능(IQ)을 알아보기 위해 K–WAIS를, 뇌기능을 분석하기 위한 도구는 피험자들이 과제를 수행할 때 뇌의 활성 부위와 활성 정도를 알아보기 위해 fMRI를 사용하였다.
성능/효과
- A그룹과 그보다 지능이 낮은 그룹인 나머지 4개 그룹(B, C, D, E)과의 활성도 차이를 비교한 값(t)에서 총 4개 그룹 48개 영역 중5개 영역만을 빼고, 43개의 영역이 p<.1 수준 이하로 통계적으로 유의한 차이를 보였다.
- C그룹과 D그룹 간에는 한 곳도 없고, C와 E 간에는 한 곳, D와 E그룹 간에는 한 곳도 유의한 차이가 나는 영역이 나타나지 않았다. A그룹과 다른 그룹을 비교할 때를 제외하고는 대부분 인접한 지능 그룹과의 비교에서는 유의한 차이가 나는 영역이 많이 나타나지 않았으며, 상대적으로 지능이 높은 그룹(130~139)에 드는 B그룹과 비교를 할 때 그러한 차이가 3~4곳 나타났다. 이는 지능의 차이가 많이 날수록 통계적으로 유의한 수준의 활성도 차이가 나타나는 곳이 많다는 것을 알 수 있다.
- 그룹당 12개 영역이므로 48개 영역에서 5개 영역만을 빼고 통계상 유의한 차이를 보였다. 구체적으로 A그룹과 다른 그룹별 활성도 차이를 보면, B그룹과는 12곳 중 10곳, C그룹과는 10곳, D그룹과는 12곳 모두, E그룹과는 11곳이 유의한 차이를 보였다. 유의한 차이가 한 개 영역도 보이지 않은 비교 그룹 쌍은 B와 C였으며, B와 D그룹 간에는 3개 영역, B와 E그룹 간에는 4개 영역으로 나타났다.
- 도형 유추 과제를 수행할 때 나타난 지능 그룹별 기능성자기공명촬영기술(fMRI) 영상에서 뇌 활성 영역을 알아보기 위해 단순과제 수행 때의 뇌 활성 데이터를 제거하고, 복잡과제 수행 때의 뇌 활성 데이터만을 선택하였다. 그 결과 12개의 뇌 세부 영역의 활성이 모든 지능 그룹에서 나타났는데, 우측 하후두회(Occipital-Inf-R), 우측 상두정회(Parietal-Sup-R), 좌측상두정회(Parietal-Sup-L), 좌측 하후두회(Occipital-Inf-L), 좌측 소뇌층1(Cerebellum-Crus1-L),소뇌충부7(Vermis-7), 우측 소뇌층1(Cerebellum-Crus1-R), 우측 소뇌6(Cerebellum-6-R), 우측 하전두회(Frontal-Inf-Tri-R), 좌측 소뇌9(Cerebellum-9-L), 좌측 미상회(Caudate-L), 우측 미상 회(Caudate-R)가 그곳들이며, 이는 활성도 순서이기도 하다. 영역별 활성도는 [그림 2]와 [표2]에 나타냈다.
- 특히 그동안 지능 관련 연구가 대뇌 위주로 이루어지고, 소뇌에서는 인지 기능 관련 연구가 이뤄졌을 뿐 지능 범주별로 나눈 연구는 없었으나 본 연구에서는 피험자들을 지능 범주별로 나눠 도형 유추 과제를 수행할 때 소뇌의 활성을 대뇌 피질 활성 영역과 함께 분석하였다. 그 결과 12개의 뇌 세부 영역의 활성이 모든 지능 그룹에서 나타났는데, 우측 하후두회, 우측 상두정회, 좌측 상두정회, 좌측 하후두회, 좌측 소뇌층1, 소뇌충부7, 우측 소뇌층1, 우측 소뇌6, 우측 하전두회, 좌측 소뇌9, 좌측 미상회, 우측 미상회가 그 영역들이다. 이들 영역을 대뇌 피질과 소뇌로 나눌 경우 대뇌 피질에서는 시각영역 외에 양측 두정소엽, 양측 미상회, 우측 하전두회가, 소뇌에서는 좌측 소뇌충1 영역 등5개 영역에서 활성이 나타났다.
- , 2008)에서도 지능과의 관련이 깊은 영역으로 나타났던 곳이다. 본 연구에서 활성을 보인 소뇌의 5개 영역의 MNI 좌표는 [표 3]과 같으며, Goel과 Dolan(2001)의 연구에서 활성을 보인 7개 영역의 MNI 좌표상 인접한 곳이기는 하나 동일 부위는 없는 것으로 나타났다.
- 그 결과 12개의 뇌 세부 영역의 활성이 모든 지능 그룹에서 나타났는데, 우측 하후두회, 우측 상두정회, 좌측 상두정회, 좌측 하후두회, 좌측 소뇌층1, 소뇌충부7, 우측 소뇌층1, 우측 소뇌6, 우측 하전두회, 좌측 소뇌9, 좌측 미상회, 우측 미상회가 그 영역들이다. 이들 영역을 대뇌 피질과 소뇌로 나눌 경우 대뇌 피질에서는 시각영역 외에 양측 두정소엽, 양측 미상회, 우측 하전두회가, 소뇌에서는 좌측 소뇌충1 영역 등5개 영역에서 활성이 나타났다. 이들의 활성 정도는 상당부분 지능 차이의 영향을 반영하고 있는 것으로 분석되었다.
- 지능별로 나눈 피험자 그룹 중 지능이 140~147로 가장 높은 A그룹은 12개 모든 뇌 영역에서 다른 4개 그룹에 비해 활성이 아주 높게 나타났으며, 그룹 간 차이도 아주 컸다. 뇌 영역의 활성 정도 차이(그룹 간 t값)는 [표 4]에 나타내었다.
- 이들의 활성 정도는 상당부분 지능 차이의 영향을 반영하고 있는 것으로 분석되었다. 지능이 높을수록 12곳의 대부분의 뇌 영역에서 활성이 더 높게 나타났으며, 아주 지능이 높은 IQ 140~147의 피험자들을 모은 A그룹은 12개 모든 영역에서 다른 모든 그룹에 비해 월등히 높은 활성을 보였다. A그룹과 그보다 지능이 낮은 그룹인 나머지 4개 그룹(B, C, D, E)과의 활성도 차이를 비교한 값(t)에서 총 4개 그룹 48개 영역 중5개 영역만을 빼고, 43개의 영역이 p<.
후속연구
- 특히 이번 연구에서 도형 유추를 할 때 관여하는 뇌 영역들의 활성도가 대뇌뿐 아니라 소뇌의 일부 영역들도 지능의 차이에 따라 다르게 나타난다는 사실이 새롭게 밝혀진 것은 소뇌의 지능과의 관련성 연구 방향에 시사하는 바가 크다 하겠다.
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