[논문]그림 재인에 관여하는 뇌 활성화 연구 : 동일 그림, 변형 그림, 및 단어 학습 그림의 인출 과정에 대한 fMRI연구

강은주; 강혜진; 이정모; 김성일; 이경민; 나덕렬

문제 정의

본 연구는 부호화된 조건과 인출 조건에 따라 다른 인출과정과 신경망이 관여할 것이 라는 것을 가정한다. 따라서 어떻게 다른 두 뇌 영역이 부호화와 재인 조건의 차이에 따라 관여하는 지를 관찰하고자 하였다. 인출 조건과 부호화 조건에 따라 다르게 관찰되는 두뇌영역에 대한 해부학적 지식에 근거하여 관련되는 정보처리의 성격을 추론하고자 한다.
제 삼의 가능성으로 이형재인의 경우 언 어정보를 그림 단서로 인출하는 과정에서 lexical한 재부호화(re-coding)가 이루어졌을 가능성도 있다. 본 연구는 과거 연구에서 제 기된 이러한 가능성을 보다 체계적으로 연구 하고자, 한가지 이상의 이형 재인 조건을 동 형조건과 비교하였다. 이를 위하여 모두 세 가지의 그림 재인 조건이 비교되었는데 다음과 같다.
따라서 어떻게 다른 두 뇌 영역이 부호화와 재인 조건의 차이에 따라 관여하는 지를 관찰하고자 하였다. 인출 조건과 부호화 조건에 따라 다르게 관찰되는 두뇌영역에 대한 해부학적 지식에 근거하여 관련되는 정보처리의 성격을 추론하고자 한다.

가설 설정

본 연구는 부호화된 조건과 인출 조건에 따라 다른 인출과정과 신경망이 관여할 것이 라는 것을 가정한다. 따라서 어떻게 다른 두 뇌 영역이 부호화와 재인 조건의 차이에 따라 관여하는 지를 관찰하고자 하였다.

제안 방법

사용된 손, 목록의 제시 순서, 학습 목록이 제시된 조건(그림/단어) 은 피험자간에 counterbalance되었다. 3개 목 록(120개 항목)에 대한 학습은 그 목록의 순 서와 목록 내 항목의 순서를 달리하여 모두 3회에 걸쳐 반복하여 이루어졌다. 학습 시에 이어서 기억검사가 있을 것이란 사전지시는 별도로 주어지지 않았다.
이러한 분석을 거친 개별 data로 부터 연구의 관심의 대상이 되는 비교 대비 쌍들 (contrast)0] 산출되었고, 최종적으로 random effect model을 이용하여 집단 분석 (group analysis)이 실시되었다. fMRI을 촬 영하기 전, 각각 참여자의 T1 MRI image가 촬영(SPGR)되었으며, functional image와 동일한 방식으로 SPM software/]- 제공하는 template(Tl image) 뇌영 상에 표준화 되 었 다. 참여자 8명의 표준화된 구조 영상을 평 균하여 group template을 산출하여, 집단 분석의 통계 결과는 활성화 지도로서 group template 의 slice 에 제 시 되 거 나, SPM package가 제시하.
첫째, scan내 재인과제과 부호화과제를 비교하여 재인과제에서 부호화과제보다 더 큰 활 성화를 보인 각각의 두뇌 영역을 관찰하였다. 각각의 scan내에 사용된 부호화 과정이 동일하다고 보는 가정하에서 scan간의 활성 화 양상이 비교 되었다. 이 경우 scan간의 차이는 재인조건의 차이를 반영하는 것이다.
각 scan간의 재인 조건을 각각의 fixation baseline과 비교한 분석도 유사한 형태의 활 성화 양상을 보이고 있었으나 더 두드러진 재인조건간의 차이를 보이고 있었다(그림 2). 모든 재인 조건은 fixation baseline에 비하여 하 두 정부위 와 cuneus의 활성 화를 수반 하였다. 그러나 동일 조건의 재인이 이 두 부위의 양측 활성화를 야기시킨 반면, 상이 조건은 좌측에만 국한된 활성화를, 교차 조 건은 양측이지만 좌측에 더 많은 활성화를 야기시겼다.
피험자는 scan 이 시작되기 전에 scanner 밖에 설치된 개인용 computers. 어의 판단과제를 수행하였는데, 이 판단과제동안 참여자는 제시되는 단어나 그림 자극에 대하 여, , 인공물, 인가, 자연물, 인가에 대한 범주 판단을 하였다. 참여자들은 제시되는 자극 (duration - 1500 ms, 500 ms ISI)에 대하여 좌우 식지 손가락으로 키보드(Z와 / 키)를 이용해 반응하였다.
scan의 처음 39초와 마지막 33초 동안은 '+' 표시(흑색 바탕, 흰색 font)가 시야 의 정 중앙에 제시되며 참여자는 반응하지 않고 주시하도록 지시 받았다. 이러한 fixation baseline을 제외한 5분 동안, 30초의 어의 범주 판단 과제 (semantic classification task)와 30초의 재인 과제(recognition task)가 5회에 걸쳐 반복 실시되었으며, 과제의 순서 는 참여자 간에 counterbalance 되었다. 재인 과제동안에는 이전에 본 적이 있는 자극에, 어의 범주 과제 동안에는 인공물에 각각 반 응하도록 지시가 주어졌다.
0 mm). 이렇게 수집된 결과는 off-line 재구성 후에 SPM99( statistical parametric mapping, 99 version, Wellcome Department of Cognitive Neurology, London, UK) software package를 이용해 움직임으로 인해 발생하는 잡음을 제거했으 며 EPI template 에 근거하여 표준화 (normalization) 와 smoothing (FWHM=8 mm)과정을 거친 후 개별 분석되었다. 이러한 분석을 거친 개별 data로 부터 연구의 관심의 대상이 되는 비교 대비 쌍들 (contrast)0] 산출되었고, 최종적으로 random effect model을 이용하여 집단 분석 (group analysis)이 실시되었다.
fMRI을 촬 영하기 전, 각각 참여자의 T1 MRI image가 촬영(SPGR)되었으며, functional image와 동일한 방식으로 SPM software/]- 제공하는 template(Tl image) 뇌영 상에 표준화 되 었 다. 참여자 8명의 표준화된 구조 영상을 평 균하여 group template을 산출하여, 집단 분석의 통계 결과는 활성화 지도로서 group template 의 slice 에 제 시 되 거 나, SPM package가 제시하.는 rendering template0!] 제시되었다.
어의 판단과제를 수행하였는데, 이 판단과제동안 참여자는 제시되는 단어나 그림 자극에 대하 여, , 인공물, 인가, 자연물, 인가에 대한 범주 판단을 하였다. 참여자들은 제시되는 자극 (duration - 1500 ms, 500 ms ISI)에 대하여 좌우 식지 손가락으로 키보드(Z와 / 키)를 이용해 반응하였다. 사용된 손, 목록의 제시 순서, 학습 목록이 제시된 조건(그림/단어) 은 피험자간에 counterbalance되었다.
첫째, scan내 재인과제과 부호화과제를 비교하여 재인과제에서 부호화과제보다 더 큰 활 성화를 보인 각각의 두뇌 영역을 관찰하였다. 각각의 scan내에 사용된 부호화 과정이 동일하다고 보는 가정하에서 scan간의 활성 화 양상이 비교 되었다.
이를 위하여 모두 세 가지의 그림 재인 조건이 비교되었는데 다음과 같다. 첫째, 동일 조건(SAME) - 인출 시 에 학습 시에 보았던 그림과 똑같은 그림이 filler자극들과 함께 제시되었다. 둘째, 상이 조건(DIFFERENT) - 인출 시에 학습 시에 경험하였던 그림과 동일한 단어 명명(word labeling)을 공유하나 모양이 다른 그림이 인 출 시에 제시되었다.

대상 데이터

모두 8명의 기능 뇌영상 자료가 영상분석 에 쓰였다. 피험자(나이 24.5± 2.25세, 남자 =1, 여자 7명)는 모두 오른손 잡이이며 정상 적인 교정시력의 신경 심리학 수강생이 참여 하였다. 기술적인 이유로 3명의 행동 data가 scanner에서 수집되지 못했기 때문에 이들중 5명의 반응결과만 행동분석에 사용되었다.

데이터처리

이렇게 수집된 결과는 off-line 재구성 후에 SPM99( statistical parametric mapping, 99 version, Wellcome Department of Cognitive Neurology, London, UK) software package를 이용해 움직임으로 인해 발생하는 잡음을 제거했으 며 EPI template 에 근거하여 표준화 (normalization) 와 smoothing (FWHM=8 mm)과정을 거친 후 개별 분석되었다. 이러한 분석을 거친 개별 data로 부터 연구의 관심의 대상이 되는 비교 대비 쌍들 (contrast)0] 산출되었고, 최종적으로 random effect model을 이용하여 집단 분석 (group analysis)이 실시되었다. fMRI을 촬 영하기 전, 각각 참여자의 T1 MRI image가 촬영(SPGR)되었으며, functional image와 동일한 방식으로 SPM software/]- 제공하는 template(Tl image) 뇌영 상에 표준화 되 었 다.

성능/효과

매 30초의 과제 주기동안 12개의 시행이 제시되었으며, 각 주 기 의 시 작에 지 시 화면(duration 500ms, 여], , 인 공물?, , 이전에?, )으로, 화면 정 중앙 상단에 자극과 함께 제시는 symbole = 재인 과제, '#' = 어의범주 판단과저I)로 진행되는 과제의 종류가 지시되었다. 각 12 시행중, 재인 과 제는 4개 filler와 8개의 target 항목이, 어의 범주 판단 과제는 8개의 인공물과 4개의 자 연물 항목이 pseudorandom한 순서로 제시되었다. 모든 자극은 역시 흑색 바탕에 흰색 선으로 그려진 생물, 무생물 등에 대한 그림 (2000ms로 제시, 458ms의 ISI)이었다.
각 scan간의 재인 조건을 각각의 fixation baseline과 비교한 분석도 유사한 형태의 활 성화 양상을 보이고 있었으나 더 두드러진 재인조건간의 차이를 보이고 있었다(그림 2). 모든 재인 조건은 fixation baseline에 비하여 하 두 정부위 와 cuneus의 활성 화를 수반 하였다.
이는 상이 조건의 인출이 언어 명명 인출을 매개로 하고 있을 가능성을 시사한다. 교차 조건에서는 양측 중 전전두엽 모두에서 fixation baseline과 비교하여, 활성화가 관찰되었는데 주로 좌측 전전두엽의 활성화가 더 크게 관찰되었다.
동일조건이, 재인 단서가 지각적 친숙성과 내용의 친숙성 모두를 포함하고 있는 가장 쉬운 인출 과정임을 고려할 때, 높은 인출 율에도 불구하고 전전두엽보다는 우즉 두정 엽이 인출과정에 가장 유의미한 활성화가 관 찰되었다. 인출에 관여한다고 알려진 우측 전전두엽의 관찰은 부호화과정과 비교하여 관찰되었으나 low baseline fixation baseline에 비하여는 관찰되지 않았다.
이 경우 scan간의 차이는 재인조건의 차이를 반영하는 것이다. 둘째, 각 scan의 재인과제의 활성화 양이 fixation baseline-4 비교되었다. 각각의 scan 에서 재인조건과 짝지워진 부호화 조건이 scan간에 동일 하지 않을 경우를 고려하여 각각의 재인조건이 fixation baselinedow baseline)과 비교된 결과도 scan간의 차이로 비교되어 재인 조건에 따를 뇌활성화 양상이 비교되었다’
첫째, 동일 조건(SAME) - 인출 시 에 학습 시에 보았던 그림과 똑같은 그림이 filler자극들과 함께 제시되었다. 둘째, 상이 조건(DIFFERENT) - 인출 시에 학습 시에 경험하였던 그림과 동일한 단어 명명(word labeling)을 공유하나 모양이 다른 그림이 인 출 시에 제시되었다. 셋째, 교차 조건 (CROSS) - 학습 시에 단어로 부호화 하였 던 것과 동일한 단어로 명명될 수 있는 그림 자극이 재인 단서로 제시되었다.
그러나 동일 조건의 재인이 이 두 부위의 양측 활성화를 야기시킨 반면, 상이 조건은 좌측에만 국한된 활성화를, 교차 조 건은 양측이지만 좌측에 더 많은 활성화를 야기시겼다. 또한 전전두엽의 활성화도 재인 조건에 따라 다른 결과를 보였는데, 충분히 반복 학습하였던 그림의 동일조건 재인동안 fixation baseline과 비교해서는 좌우반구의 시각영역과 두정엽만이 더 큰 활성화를 보였 을 뿐 두정엽 의 활성 화는 관찰되 지 않았다. 대조적으로, 상이 조건에서는 전적으로 좌측 전전두엽의 활성화, 특히 중 전전두엽의 활 성화가 관찰되었다(그림2).
모두 40개의 항목으로 이루어진 3개의 학 습 목록(총합 120개 항목)이 이용되었으며, 이 중 2개의 목록은 그림(80항목)으로 제시되 었고 다른 하나의 목록은 단어(40항목)로 제 시되었다. 피험자는 scan 이 시작되기 전에 scanner 밖에 설치된 개인용 computers.
본 연구 저자의 과거 연구[6]에서 일반적인 그림 재인 (동형 재인)과 단어로 학습 한 내용을 그림 단서에 재인(이형 조건)하는 조건을 관찰한 결과, 단어로 학습하였던 내용을 그림 단서에 근거하여 재인할 경우(이 형 재인) 좌반구의 전전두엽이 활성화됨이 발견되었다. 이는 학습시의 언어로 부호화 되었던 자극의 인출에, 부호화 시에 관여하 였던 두뇌 영역(좌측 전전두엽)이 다시 활성 화된 것으로 설명할 수도 있다.
부호화 조건에 비하여 동일 재인 조건동 안, 양측 하두정엽 (inferior parietal region) 과 우측 중전 전두엽 (middle prefrontal region)0] 더 높은 활성화를 보이는 것으로 발견되었다. 이에 비하여 상이 재인 조건동 안은 같은 scan에 제시되었던 부호화 조건에 비하여 모두 좌측 두정엽 , 좌측 전 전두엽 , 그리고 좌측 insular에서 더 높은 활성화가 관 찰되었다(그림 1).
둘째, 상이 조건(DIFFERENT) - 인출 시에 학습 시에 경험하였던 그림과 동일한 단어 명명(word labeling)을 공유하나 모양이 다른 그림이 인 출 시에 제시되었다. 셋째, 교차 조건 (CROSS) - 학습 시에 단어로 부호화 하였 던 것과 동일한 단어로 명명될 수 있는 그림 자극이 재인 단서로 제시되었다. 동일한 자 극이 주어질 경우, 지각적으로 친숙성한 재 인 단서가 제시된 것이다.
05) 모두에서 유 의미한 차이를 보였다. 행동 분석에 의하면, 각 scan별 재인 조건에 따라 유의미한 차이를 보였는데 반응시간과 정확 재인률 모두 동일 조건, 상이 조건, 교차 조건의 순으로 재인의 난이도가 유의미하게 증가함을 보였다. (반응시간:동일조건=746 ms, 상이 조건 =823.

후속연구

아울러 상 이 조건의 재인에 비하여 교차 조건에서는 우측 중 전전두엽의 활성화가 관찰되었는데 이러한 발견은 최근의 시각과 청각의 감각 양식을 이용한 다른 연구자들의 교차 인출 연구나 암묵적 교차 인출 조건에서도 종종 관찰되는 현상이다[1, 2, 7, 8, 12, 13]. 이러한 교 차 조건이 가진 인출과정의 특이성, 외현적 인출과 암묵적 인출의 상호작용의 가능성은 앞으로도 계속 연구되어야 할 것이다.

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