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문제 정의
- 따라서 본 연구는 시공간 작업기억력 검사를 통해 얻어진 작업기억력 우수 집단과 저하 집단을 전전두엽 Fp1과 Fp2 지점에서 뇌파를 측정하고 뇌 기능을 분석하여 안정 상태에서 얻어진 뇌파의 활성 차이로 인해 시공간 작업기억력을 예측할 수 있는 지를 알아보는 것이 목적이다.
- 본 연구에서는 주로 주파수계열 스펙트럼 분석법을 이용하여 상호 연관성에 의한 서파화 및 속파화 정도를 파악하여, 기존의 밴드별 독립 분석법이 서파화나 속파화 정도 등을 정확히 분석하지 못하는 단점을 보완하였는데 이는 단순히 시계열 분석만 하거나 파워스펙트럼에만 의존하는 기존의 분석법보다 다양한 정보를 제공하기 때문이다. 이와 같은 분석법을 “뇌기능 분석(BQ Tester)”라고 하였으며, 8가지 뇌기능 지수 형태로 뇌의 상태를 정량화하였다[25][26].
제안 방법
- AQ*값이76이하(1.6 SD이상)인 경우를 저하, 76초과 85 이하(1.0 SD이상 1.6 SD미만)인 경우를 경계, 85초과(1.0 SD미만)인 경우를 정상으로 하는데[19], 본 실험에서는 작업 기억력 우수집단(Excellent Working Memory: EWM)과 작업기억력 저하집단(Poor Working Memory: PWM)을 AQ*± 1.0 SD를 초과하는 대상자를 최종분석 대상자로 분류하였다.
- Korea) 를 이용하였다. 뇌파 신호처리는 고속 퓨리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)분석을 통한 주파수별 진폭의 세기를 구하였다. 진폭의 세기는 전압(μV)으로 나타내어활성도(activity)값으로 사용되었다.
- 이 뇌파 측정기는 비침습형 해드밴드를 사용함으로써 측정자 친화적인 도구이다. 또한 두피상 전극 부착 위치를 나타내는 국제 10-20 시스템 기준에 의해 정해진 전전두엽의 Fp1과 Fp2에서 좌우 뇌파를 동시에 측정하도록 설계되었다. 금도금한 건성 전극을 해드밴드 형태로 부착하여 Fp1과 Fp2를 활성(Active)전극으로, Fpz를 접지(Ground)전극으로 그리고 귓불을 기준(Reference)전극으로 사용하였다.
- 그러므로 뇌 지수는 종합적으로 뇌의 기능을 보고자 하는 노력에서 나온 틀로써 기존의 방법들보다 밴드별 상호 연관성에 따라 뇌의 기능을 세분화하여 분석 평가할 수 있는 유용한 지표가 될수 있는 방법이다. 또한 폐안과 개안시의 뇌파를 비교분석함으로써 기초율동의 주파수를 파악하고 뉴로피드백 (Neurofeedback)에 의한 뇌의 자기조절정도(Degree of Self-Regulation)를 측정함으로써 뇌의 동적 상태 (Dynamic State)를 측정하여 분석하였다[27]. 본 연구에서는 뇌 기능 지수의 하위요소를 통해 그 하위요소들이 의미하는 뇌파 값을 추출하여 사용하였다.
- 또한 폐안과 개안시의 뇌파를 비교분석함으로써 기초율동의 주파수를 파악하고 뉴로피드백 (Neurofeedback)에 의한 뇌의 자기조절정도(Degree of Self-Regulation)를 측정함으로써 뇌의 동적 상태 (Dynamic State)를 측정하여 분석하였다[27]. 본 연구에서는 뇌 기능 지수의 하위요소를 통해 그 하위요소들이 의미하는 뇌파 값을 추출하여 사용하였다. 본 연구에서 사용된 뇌기능 지수와 하위요소에 해당하는 뇌파 및 특징은 [Table 3]과 [Table 4]와 같다[25][28][29].
- 아동의 연령에 따라 3∼6가지 소검사가 시행되는데[19], 본 연구에서는 연구 목적과 부합하는 시공간 작업기억력 검사를 시행하였다.
- 이와 같은 분석법을 “뇌기능 분석(BQ Tester)”라고 하였으며, 8가지 뇌기능 지수 형태로 뇌의 상태를 정량화하였다[25][26].
- 최종분석 대상자의 시공간 작업기억 수행능력을 파악 하기 위해 CAT의 순방향과 역방향에 대한 작업기억력 검사를 먼저 실시하였다. 검사 결과를 바탕으로 순방향 공간폭(Forward Memory Span, FMS)과 역방향 공간폭 (Backward Memory Span, BMS)의 결과로 실험 집단을 분류하였고 이때 기준은 전체 대상자 검사결과 값의 평균(M)을 100, 표준편차(SD)를 15라고 가정하고 피검자의 검사 결과를 이 기준에 맞게 환산하면 Attention Quotient* (AQ*: 주의력 지수) 값이 산출된다.
대상 데이터
- 또한 두피상 전극 부착 위치를 나타내는 국제 10-20 시스템 기준에 의해 정해진 전전두엽의 Fp1과 Fp2에서 좌우 뇌파를 동시에 측정하도록 설계되었다. 금도금한 건성 전극을 해드밴드 형태로 부착하여 Fp1과 Fp2를 활성(Active)전극으로, Fpz를 접지(Ground)전극으로 그리고 귓불을 기준(Reference)전극으로 사용하였다. 이 뇌파 측정기는 미국에서 신뢰도와 타당도가 입증 되어 의료용으로 가장 많이 사용되고 있는 Grass Neurodata Amplifier System과 비교하여 좌우 알파파, 베타파, 그리고 세타파 값에 대한 상관계수가 .
- 본 연구는 2014년 12월 B광역시 소재의 OO학원에 재원중인 신체건강하고 인지적, 정서적으로 이상이 없는 일반적인 중학생을 대상으로 실시되었다. 대상자는 법적 보호자와 함께 연구에 대한 설명을 들은 후 자발적인 참여를 희망하면서 보호자의 동의를 받은 총 31명을 선정하였고 학년, 성별, 학업성취도는 구분하지 않았다. 전체 대상자에 대한 성별과 연령에 따른 분포는 [Table 1]과 같다.
- 본 연구는 2014년 12월 B광역시 소재의 OO학원에 재원중인 신체건강하고 인지적, 정서적으로 이상이 없는 일반적인 중학생을 대상으로 실시되었다. 대상자는 법적 보호자와 함께 연구에 대한 설명을 들은 후 자발적인 참여를 희망하면서 보호자의 동의를 받은 총 31명을 선정하였고 학년, 성별, 학업성취도는 구분하지 않았다.
- 본 연구는 뇌파 측정을 위해 ‘파낙토스’의 2 Channel 뇌파 측정기(Neuroharmony M, Panaxtos Corp. Korea) 를 이용하였다.
데이터처리
- 두 집단 간의 CAT 주의력 지수와 뇌파에 대한 차이 검증은 정규성을 만족시키기에는 대상자의 수가 충분하지 않아 통계학적 유의성을 살펴보기 위해 비모수적 방법인 Mann-Whitney Test로 분석하였다. 모든 자료에 대하여 평균과 표준편차를 산출하였고 자료의 통계적 유의 수준은 * p<.
- 모든 자료에 대하여 평균과 표준편차를 산출하였고 자료의 통계적 유의 수준은 * p<.05, **p<.01로 설정하였다.
- 본 연구의 수집된 자료는 통계처리용 데이터 코딩 (data coding)과정을 거쳐, SPSS(Statistical Package for Social Science) V. 21.0 통계 패키지 프로그램을 이용하여 분석하였다.
이론/모형
- 또한 최종분석 대상자를 대상으로 뇌파의 측정과 뇌파 밴드별 상호연관성을 통한 뇌기능 지수의 하위요소를 알아보기 위해 ‘파낙토스’에서 개발한 뇌기능 분석(BQ Tester) 프로그램을 사용하였다[20].
성능/효과
- 최종분석 대상자의 시공간 작업기억 수행능력을 파악 하기 위해 CAT의 순방향과 역방향에 대한 작업기억력 검사를 먼저 실시하였다. 검사 결과를 바탕으로 순방향 공간폭(Forward Memory Span, FMS)과 역방향 공간폭 (Backward Memory Span, BMS)의 결과로 실험 집단을 분류하였고 이때 기준은 전체 대상자 검사결과 값의 평균(M)을 100, 표준편차(SD)를 15라고 가정하고 피검자의 검사 결과를 이 기준에 맞게 환산하면 Attention Quotient* (AQ*: 주의력 지수) 값이 산출된다. AQ*값이76이하(1.
- 이는 과거 김순화 등[9]의 뇌파를 이용한 작업기억 결손 학습자의 판별 연구에서 눈을 감고 안정 상태에서는 모든 파장대의 뇌파를 변별을 위한 도구로 사용할 수 없다는 선행연구 결과에서 발견되지 않았던 결과이다. 그러나 본 연구에서는 개안 (Open-Eye, OE)과 안정 상태시 고베타파의 활성도 차이가 나타났으며, 이를 통해 EWM 집단은 PWM 집단에 비해 전전두엽에서의 고베타파 활성도를 의미하는 정신적 활동성이 높다는 것을 알 수 있다. 즉, 고베타의 뇌파 특성[24]인 인지적 처리과정에서 일어나는 정신적 긴장, 불안이나 산만, 지나친 생각, 과잉 각성의 형태로 나타날수 있다는 것을 알 수 있다.
- 05). 그러나 좌뇌 세타파, 우뇌세타파, 우뇌 저베타파, 좌뇌 알파파와 우뇌 알파파는 비록 유의수준에는 도달하지 못했지만 PWM에 비해 EWM 집단의 뇌파 활성도가 높은 경향을 보였다. 이는 생체신호를 종속변수로 비교한다는 점에서 적은 수치상의 차이도 무시할 수 없다고 사료된다.
- 넷째, 역방향 작업기억력 검사 결과는 집단간 뇌파 활성 차이가 없었다. 이는 순방향과 역방향 작업기억력 검사 결과의 주의력지수 평균값 차이를 보면 FMS의 101.
- 둘째, 순방향 작업기억력 검사 결과 안정 상태시 EWM와 PWM 집단 간의 저베타파에서는 우뇌 영역에서만 유의미한 차이가 나타났다. 이는 안정 상태시 EWM 집단은 PWM에 비해 전전두엽에서의 우뇌 저베타파 활성도가 높으며 정신적 활동과 사고능력이 높다는 것을 의미한다.
- 또한 정신적 활동과 사고능력 등의 뇌의 활성정도를 나타내는 저베타파(βL파)는 우뇌에서만 유의미한 차이를 보였다(p<.05).
- 분석 결과 정신적인 불안, 긴장, 산만의 정도를 나타내는 고베타파(βH파)에서 좌뇌와 우뇌 모두 유의미한 차이를 보였다(p<.05).
- 서 활성화된 뇌파의 차이 그래프이다. 분석결과 통계상의 유의미한 차이가 없음을 알 수 있다.
- 셋째, 순방향 작업기억력 검사 결과 안정 상태에서 EWM과 PWM 집단 간의 알파파와 세타파는 통계적으로 유의수준에는 도달하지 못하였다. 그러나 작업기억력에 미치는 뇌의 전기적 활동성에서 알파파와 세타파 대역이 중요하다는 선행연구[31]에 의하면 생체신호를 종속변수로 비교한다는 점에서 적은 수치상의 차이도 무시할 수 없다고 사료된다.
- 이는 생체신호를 종속변수로 비교한다는 점에서 적은 수치상의 차이도 무시할 수 없다고 사료된다. 순방향 작업기억력 검사에서 분석한 뇌파 결과 모두 안정시 PWM 집단에 비해 EWM 집단의 뇌파 활성도가 높은 경향을 보이는 것으로 나타났다.
- 안정시 좌뇌와 우뇌의 고베타파 활성도는 작업기억력 과제 수행능력과 상관관계가 있으며 특히 우뇌의 저베타파 활성도는 시공간 작업기억력이 위치한 곳이 우반구 영역임을 고려할 때 상관관계가 있다는 것을 알 수 있다. 또한 통계적인 유의미 수준에는 도달하지 못했지만 알파파와 세타파의 집단간의 활성도 차이 역시 시공간 작업 기억력과 상관관계가 있을 것으로 추론할 수 있어 안정 상태에서 얻어진 뇌파의 활성 차이로 인해 시공간 작업 기억력을 예측하는데 활용할 수 있을 것이다.
- 연구대상자 전체의 순방향과 역방향에 대한 검사 결과 순방향 검사 결과는 평균 101.7점, 역방향 검사 결과 평균은 96.8점으로 나타났으며, 대상자를 분류하기 위해 주의력 지수값이 경계와 저하에 해당하는 평균값±1.0 SD를 초과한 인원은 각각 7명과 6명으로 나타나 최종분석 대상자로 선정되었으며 [Table 5]와 [Table 6]과 같다.
- 차이가 없었다. 이는 순방향과 역방향 작업기억력 검사 결과의 주의력지수 평균값 차이를 보면 FMS의 101.7점에 비해 BMS의 96.8점으로 역방향 작업기억력 검사 수행능력이 4.9점 낮은 상태이며 역방향 작업기억력 검사 과제가 인지적 부하가 높다는 것을 의미한다.
- 또한 우뇌의 저베타파 활성은 심상(心想) 작용의 활성화와 관련이 있다는 김용진 등[30]의 연구 결과와 일치하며 EWM 집단이 안정시에도 우뇌의 활동성이 PWM 집단보다 우세할 것이다. 즉, 우뇌의 활성도를 통해 좌뇌의 언어적 작업 기억력보다 시공간 작업 기억력이 높을 가능성을 시사하며 본 연구가 언어적 작업 기억력보다 시공간적 작업기억력을 검사한 결과와 일치한다.
- 첫째, 순방향 작업기억력 검사 결과 안정 상태시 EWM과 PWM 집단 간의 고베타파에서 좌뇌와 우뇌 모두 유의미한 차이를 보였다. 이는 과거 김순화 등[9]의 뇌파를 이용한 작업기억 결손 학습자의 판별 연구에서 눈을 감고 안정 상태에서는 모든 파장대의 뇌파를 변별을 위한 도구로 사용할 수 없다는 선행연구 결과에서 발견되지 않았던 결과이다.
후속연구
- 둘째, Fp1과 Fp2 두 지점에서 뇌파를 측정한 결과로써 상호비교하기에 한계가 있다. 작업기억력과 관계있는 전두부를 포함한 뇌의 다양한 영역에서 뇌파를 측정하고 분석하는 후속연구를 기대한다.
- 1) 에 비해 알파파 활성도가 높으며 이는 알파파 활동성의 동기화가 단순히 피질의 비활동성을 의미하는 것뿐만 아니라 Baddeley와 Hitch[2]가 주장한 작업 기억력과 중앙 집행 처리기능의 개념과 유사한 뇌 영역의 선택적인 억제상태로 내부 하향식(internal top-down) 처리방식의 신호를 반영한다는 최근의 연구[32]와 일치한다. 또한 EWM 집단이 인지 부하가 걸리지 않는 편안한 안정 상태이면서 특히 뇌의 안정도가 PWM집단에 비해 높아 육체적, 정신적 스트레스에 대한 대처 능력이 우수하여 학습이나 업무의 효율성이 증대할 것이다.
- 안정시 좌뇌와 우뇌의 고베타파 활성도는 작업기억력 과제 수행능력과 상관관계가 있으며 특히 우뇌의 저베타파 활성도는 시공간 작업기억력이 위치한 곳이 우반구 영역임을 고려할 때 상관관계가 있다는 것을 알 수 있다. 또한 통계적인 유의미 수준에는 도달하지 못했지만 알파파와 세타파의 집단간의 활성도 차이 역시 시공간 작업 기억력과 상관관계가 있을 것으로 추론할 수 있어 안정 상태에서 얻어진 뇌파의 활성 차이로 인해 시공간 작업 기억력을 예측하는데 활용할 수 있을 것이다.
- 본 연구의 결과가 시공간 작업기억력과 안정 상태의 뇌파 특성과 상관관계를 연구했다는 점에서 연구의 의의가 있으며 특히, 아동 청소년의 시공간 작업기억력과 관련된 전전두엽과 두정엽의 기능적 뇌 발달 상태도 뇌파의 활성도로 예측할 수 있으며 뇌파를 측정하는 직접적인 방식으로 신경생물학적 특성을 정량화하여 이해하는데 도움이 되고 시간과 비용면에서도 효율적일 것이다. 향후 뇌파의 활성도가 작업기억력 평가 도구와 근거자료로써 활용될 수 있기를 기대한다.
- 있다. 이러한 예측뿐만 아니라 시공간 작업기억력을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 더욱 필요하다. 아동 청소년기 인지능력 발달에 작업기억력은 중요한 영향을 미치며 특히 주의력결핍 과잉행동장애(ADHD)를 가지고 있는 아동 청소년은 작업기억력이 상대적으로 저하 되어 있지만 작업기억력 향상 훈련을 통해서 전두엽의 중앙집행기능 향상과 ADHD 증상을 개선할 수 있다고 보고[35][36]되고 있다.
- 상호비교하기에 한계가 있다. 작업기억력과 관계있는 전두부를 포함한 뇌의 다양한 영역에서 뇌파를 측정하고 분석하는 후속연구를 기대한다.
- 첫째, 본 연구를 일반화시키기에는 실험대상자의 수가 31명에서 선별된 13명의 소규모로써 이를 일반화하기에는 그 한계가 있다.
- . 향후 뇌파의 활성도가 작업기억력 평가 도구와 근거자료로써 활용될 수 있기를 기대한다.
- 또한 최근에는 비약물 요법이면서 뇌파를 자기 조절하여 뇌 기능을 향상시키는 뉴로피드백(neurofeedback) 훈련에 대한 관심이 증대되고 있고 이러한 원리를 이용한 작업기억력 증진 훈련에 대한 연구가 보고 되고 있다[37]. 효과적인 작업기억력 훈련을 적용하고 그에 따른 뇌파의 특성을 분석하는 후속연구를 기대한다.
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