뇌 신경회로 언어경로의 새로운 연구

노벨사이언스 창간 4주년 특별포럼 논문 발표

□발표자 : 조장희 고려대학교 석좌교수

이중언어회로의 신경생물학적 증거 : 표음문자  vs 표의문자 

기능적 자기공명영상 이용한 한자(표의문자)와 한글(표음문자)의 문자해석 신경기질

인간 뇌 신경회로의 표음문자와 표의문자 언어경로의 새로운 연구 

<저자 : 조장희 고려대학교 뇌과학융합센터 석좌교수＊, 백선하 서울대병원 신경외과 교수, 김영보 가천길병원 신경외과 교수, 김남범 가천길병원 뇌과학연구원 박사 , 황영은 고려대학교 뇌과학융합센터 연구원>

 

조장희 박사가 지난 7월 24일 오후 쉐라톤 서울팔래스호텔 그랜드 볼륨에서 열린 노벨사이언스 창간 4주년 특별포럼에서 신경과학 분야에서 새롭게 부상하고 있는 여러가지 기법을 활용하여 “기능적 자기공명영상을 이용한 한자(표의문자)와 한글(표음문자)의 문자해석 신경기질"에 관한 연구논문을 발표를 했다.

본 연구논문은 조장희 고려대학교 뇌과학융합센터 석좌교수가 지난 7월 24일 오후 쉐라톤 서울팔래스호텔에서 노벨사이언스 창간 4주년 기념 특별포럼에 발표한 "뇌 과학자가 연구한 인간의 뇌 신경회로에서의 표음문자와 표의문자 언어경로" 존재의 흥미있는 새로운 연구이다.  노벨사이언스 8월호에 게재되었다. 편집자 註

인간 언어의 고유한 속성을 연구하기 위한 문자 종류로는 표음문자와 표의문자가 대표적이다. 본 논문은 신경과학 분야에서 새롭게 부상하고 있는 여러가지 기법을 활용하여, 이전에 발표한 “기능적 자기공명영상을 이용한 한자(표의문자)와 한글(표음문자)의 문자해석 신경기질(Neural Substrates of Hanji (Logogram) and Hangul (Phonogram) Character Readings by Functional Magnetic Resonance Imaging)” 연구를 보완했다. 결과적으로, 일반적으로 잘 알려져 있는 고전적인 언어경로인 베르니케 영역(Wernicke’s area)과 브로카 영역(Broca’s area)을 연결하는 궁상다발(Arcuate Fasciculus)을 확인했을 뿐만 아니라 시각적 언어 흐름을 위해 상위 두정엽과 하위 두정엽이 전전두엽과 연결되어 있는 섬유 다발의 존재를 확인함으로써 두 가지의 언어 경로를 관측할 수 있었다.

인간 뇌의 언어경로와 관련된 연구를 위해, ‘표음문자 vs 표의문자 읽기’ 방법이 널리 활용되어 왔다. 일반적으로 많은 연구자들이 이러한 읽기활동의 결과로 유발되는 뇌신경반응을 비교∙분석 하여 연구를 진행했다.

최근 연구에서는 인간 언어의 고유한 속성을 연구하기 위해, 대표적으로 두 가지의 글자 종류를 선정했다. 하나는 표음문자이며, 다른 하나는 표의문자입니다. 이미 잘 알려진 바와 같이, 중국과 한국, 일본에서는 각 나라의 고유한 문자를 가지고, 서로 다른 언어 체계를 사용하고 있습니다. 그러나 중국을 제외한 한국과 일본에서는, 각 나라의 문자와 더불어 중국의 문자를 함께 사용하고 있다.

흥미롭게도, 한국에서는 오랫동안 중국문자(한자)와 한국문자(한글)를 함께 사용하고 있다. 한글은 1440년대에 세종대왕에 의해 창제∙보급되었으며, 한자에 비해 비교적 새로운 문자에 해당한다. 이 새로운 한국의 문자는 순수 음운체계의 글자이며, ‘표음문자 vs 표의문자 읽기’의 신경반응 차이를 연구하기에 좋은 문자로 여겨진다.

매일 사용되는 한국 언어의 약 70%는 한자와 연관되어 있다고 알려져 있는데, 사실 해당 언어는 순수 ‘한글’만으로도 쓰일 수 있다. 이러한 사실만으로도 한글은 인간의 언어처리 및 인식에 있어서 ‘표음 vs 표의’ 문자 효과를 연구할 수 있는 독특한 특성을 가진다는 것을 알 수 있다. 이러한 인간의 언어처리 및 인식 작업은 현대의 뇌 영상장치를 통해 인간의 뇌를 직접 관찰함으로써 면밀히 분석될 수 있다.

이전에 발표한 “기능적 자기공명영상을 이용한 한자(표의문자)와 한글(표음문자)의 문자해석 신경

기질(Neural Substrates of Hanji (Logogram) and Hangul (Phonogram) Character Readings by Functional Magnetic Resonance Imaging)” 논문에서, 우리는 표음문자와 표의문자 해석과정에서 fMRI 피질 활성화에 상당한 차이가 있음을 확인하였고, 표음문자와 표의문자가 서로 다른 언어경로를 가지고 해석된다고 제안했다. 그러나 이전 연구에서는, 인간 뇌의 해부학적 정보가 불충분했으며, fMRI를 통해 관찰된 활성화 영역 사이의 연결성 연구에 활용할 수 있는 연결성 지도 역시 없었기 때문에, 정확한 해부학적 상관관계를 도출해내지 못했다. 

첫 번째 연구 이후 지난 몇 년 동안, 초고자장 7.0T MRI를 이용한 초고해상도 트랙토그래피와, 보다 정확한 기능적 국소화를 위해 기능적 연결구조를 반영하여 얻은 고정밀 해부학 아틀라스(e.g. Brainnetome atlas)와 같은 새로운 신경과학 기술이 개발됨에 따라서, 현재의 새로운 뇌 지도와 새로운 연결 데이터를 사용하여 이전 논문 내용을 재검토∙분석을 진행했다.

새로운 데이터 획득 후 분석과정을 통해, 이전에는 관찰되지 않았지만 두 개로 명확하게 분리되는 읽기경로를 발견했다. 하나는 궁상다발(Arcuate Fasciculus; AF)을 통해 베르니케 영역(Wernicke’s area)과 브로카 영역(Broca’s area)을 연결하는 복측 언어 경로이며, 다른 하나는 언어와 인지 기능의 핵심인 전두엽과 두정엽을 연결하는 등측 섬유 복합체의 일부이다.  

우리는 이 두가지 경로가 이전에 확립된 언어경로를 뒷받침 할 뿐만 아니라, 지금까지는 크게 논의되지 않았던 등측 경로에 대해서 많은 것을 밝혀낼 수 있을 것이라 확신한다. 현재 연구에서

는 두 개로 분리된 경로 가설을 생각 중이며, 인간의 뇌에서 표음문자 또는 표의문자를 읽기 위한 신호처리 경로와 연관된 신경 생물학적증거를 보여주고 있다. 

본 연구에서는 새로운 데이터셋과 보다 정밀한 섬유 연결성을 기반으로, 두 개로 명확하게 분리된 읽기경로를 발견했다. 이는 이전에 고전적인 언어경로로 알려진 복측 언어 경로에 해당하며, 궁상다발(Arcuate Fasciculus)을 통해 베르니케 영역(Wernicke’s area)과 브로카 영역(Broca’s area)을 연결하는 한 경로와, 인지기능의 핵심인 전두엽과 두정엽을 연결하는 등측 섬유다발을 통한 시각적 언어 연결 경로를 보이고 있다.

그림 1은 베르니케 영역(Wernicke’s area)과 전두엽, 브로카 영역(Broca’s area), 그리고 전전두엽의 일부인 하전두고랑(Inferior Frontal Sulcus; IFS)과 강하게 연결된 표음문자 경로를 나타내며, 궁상다발(Arcuate Fasciculus)을 통해 연결된 언어 경로로 흔히 알려져 있다. 이는 복측 언어 경로에 속하는데, 특히 듣기와 말하기를 위한 주요 언어 경로로 여겨지고 있다. 새로운 데이터셋과 진보된 기술로, 보다 정밀한 기능적 해부학 참조 정보 (e.g. Brainnetome atlas)와 초고해상도 섬유 연결지도를 이용하여 기존의 네트워크를 재확인 했을 뿐만 아니라 전두엽(전운동 영역 BA6vl 및 하전두접합(Inferior Frontal Junction; IFJ))과 감각영역(BA5l 및 두정엽 (BA7c, BA39rd, BA40c))을 연결하는 새로운 등측 언어 경로가 있다는 흥미로운 사실을 발견했다. 

그림 2의 표의문자 읽기 경우를 살펴보면, 특히 상위 두정엽(BA5l과 BA7ip)과 하위 두정엽

(BA40rd), 전두엽(BA6vl, BA6cvl, IFJ, BA44d)에서 위의 표음문자 읽기보다 훨씬 더 큰 범위의 활성화가 일어난 것을 확인할 수 있다. 이에 비해서, 언어영역으로 여겨져 왔던 하전두고랑(IFS) 및 브로카 영역(Broca’s area)과 베르니케 영역(Wernicke’s area) 사이의 복측 연결성이 매우 약하게 나타났습니다. 

그림 3에는 두가지의 언어 체계, 표음문자와 표의문자의 기능적 연결성이 요약되어 있다. 표의문자는 주로 상단 등측 섬유를 통해 전전두엽 및 브로카 영역(Broca’s area)이 존재하는 전두엽과 두정엽 사이를 연결하며, 또한 상위 두정엽과 전운동영역 사이의 작은 연결성도 갖고 있다. 반면 복측 영역에서는, 베르니케 영역(Wernicke’s area)과 브로카 영역(Broca’s area)의 앞부분, 전전두엽 일부가 매우 강하고 분명한 연결성을 띄고 있다. 다시 말하자면, 그림 3의 개요에서는, 정밀한 기능적 해부학 정보와 고해상도 섬유 추적 연결성을 이용하여, 두 개의 서로 다

른 언어 경로, 등측 및 복측 경로의 존재를 잘 보여주고 있다. 결론적으로, 새롭게 획득한 초고해상도 신경다발 회로와 고정밀 & 고해상도 기능적 뇌 해부학 지도(e.g. Brainnetome atlas)를 기반으로, 신경생물학적 기초에 따른 언어 경로의 기능적 연결성을 연구해본 결과, 등측과 복측으로 나뉘는 두 가지의 독특한 언어 경로군을 발견했다. 등측 및 복측 경로는 각각 표의문자와 표음문자에 해당하며, 중국의 한자와 한국의 한글이 각 문자의 실험 수단으로 활용되었다. 본 연구는 신경생물학적 증거에 기초하여 두 가지의 뚜렷한 언어경로의 존재, 즉, 인간의 뇌 신경회로에서의 표음문자와 표의문자 언어경로의 존재를 새로 확인하는 흥미있는 연구라고 생각된다.