KAIST 정용 교수 연구팀, fMRI 분석으로 뇌 전체 연결망 향상 확인
다언어 사용 아이들은 뇌 후두엽과 전전두엽간 강한 연결성 보임을 증명
향후 알츠하이머와 퇴행성 뇌질환에 동반되는 인지능력 저하 방어 연구에 기대
아이들이 사용하는 언어 중 모국어 외 다른 언어를 추가로 사용하는 아이들은 모국어만 사용하는 아이들에 비해 기억을 측정하는 인지 과제에서 높게 나타났다. 또한 다언어 사용은 아이들의 뇌 전체 연결망에도 영향을 주는 것으로 확인됐다.
KAIST(한국과학기술원)) 바이오 및 뇌공학과 정용 교수 연구팀이 미국 예일대학교(Yale University) 심리학과 마빈 천(Marvin M. Chun) 교수 연구팀과 공동연구를 통해 아동기의 외국어 구사 여부가 인지능력을 향상하고 뇌 연결망에 변화를 가져온다고 밝혔다.
연구팀은 미국 국립 보건원(National Institutes of Health, NIH)의 청소년 뇌 인지 발달 연구(the Adolescent Brain Cognitive Development, ABCD Study) 데이터를 사용해 발달단계에 있는 9-10세 아이들의 인지기능 점수와 기능적 자기공명영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI)을 분석했다. 모국어 외 다른 언어를 추가로 사용하는 아이들은 모국어만 사용하는 아이들에 비해 기억을 측정하는 인지 과제에서 높은 점수를 보였다. 또한 다언어 사용은 아이들의 뇌 전체 연결망에도 영향을 주는 것으로 확인됐다.
KAIST 바이오및뇌공학과 권영혜 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `미국국립과학원회보(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)' 11월 118권 49호에 출판됐다. (논문명 : Predicting multilingual effects on executive function and individual connectomes in children: an ABCD Study).
뇌는 과제를 수행할 뿐만 아니라 쉬고 있을 때도 특정 영역들이 활성화된다. 기능적 자기공명영상(fMRI)을 통해 활성화되는 각 영역을 관찰할 수 있고, 이 영역들이 서로 어떻게 연결이 돼 있는지 기능적 뇌 연결망(functional connectivity)을 계산할 수 있다.
뇌 모든 영역 간의 연결 패턴을 나타내는 뇌 전체 연결망(whole-brain functional connectivity, connectome)은 사람마다 다르고, 그 사람의 나이, 지능, 인지기능 등 그 사람만의 고유한 특성을 내포하고 있다고 알려져 최근 뇌 과학 분야에서 활발히 연구되고 있다.
연구팀은 뇌의 특정 영역에 국한하지 않고 뇌 전체의 연결망에 초점을 맞춰, 여러 언어를 하는 아이들과 하나의 언어만 사용하는 아이들이 서로 다른 뇌 전체 연결망을 가지는 것을 관찰했다. 기억 관련 과제를 수행할 때 다언어 사용 아이들은 단일언어 사용 아이들에 비해 뇌 후두엽(occipital lobe)과 피질하 영역(subcortical area)간 강한 연결망을 보였다. 아이들이 아무 과제를 수행하지 않는 휴지기(resting state)에도 두 그룹 간 차이가 관찰됐는데, 다언어 사용 아이들에게서 뇌 후두엽과 전전두엽(prefrontal cortex)간 강한 연결성을 보였다.
더 나아가 연구팀은 기계학습을 통해 아이들이 기억 관련 과제를 수행할 때와 휴지기일 때 나타나는 뇌 전체 연결망만으로 그 아이가 여러 언어를 사용하는지 한 언어를 사용하는지를 성공적으로 예측할 수 있었다. 또한 다언어 사용 아이들이 기억 관련 과제를 수행할 때 관찰되는 기억 관련 연결망만으로 그 아이들이 해당 과제에서 어떤 점수를 얻었는지 예측할 수 있었다. 단일 언어사용 아이들에게서는 이러한 현상이 발견되지 않았는데, 이는 다언어 사용 아이들의 뇌 전체 연결망이 그들의 행동과 더 밀접한 관계를 맺고 있다는 것을 시사한다.
연구팀은 이번 연구를 통해 발달단계에 있는 9-10세 아이들의 다언어 사용 여부가 뇌 전체 연결망에 변화를 주는 것을 확인했다. 이 연구를 바탕으로 다언어 사용의 영향이 발달단계를 거치며 성인이 될 때까지 어떻게 변화하는지 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대한다. 더 나아가 다언어 사용은 알츠하이머와 같은 퇴행성 뇌질환에 동반되는 인지기능 저하를 방어하는 뇌인지 예비능(cognitive reserve)을 가져오는데, 이 현상을 연구하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
제1 저자인 권영혜 박사과정은 "성인보다 언어사용 기간이 짧은 9-10세 아이들에게서도 여러 언어의 사용이 인지기능과 뇌 연결 패턴에 영향을 주는 것을 확인하였다ˮ 라며 "어렸을 때부터 형성된 이러한 차이가 시간이 흐르면서 어떠한 형태로 자리 잡아 성인이 되었을 때 그리고 노인이 되어서까지 영향을 주는지를 이해하는 데 도움이 되길 바란다ˮ 라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단, 산업통상자원부, 미국 국립 보건원 지원을 받아 수행됐다.
□ 연구개요
1. 연구 배경
발달 단계에 있는 아이들은 언어의 습득뿐만 아니라 인지기능의 성장에도 매우 중요한 시기이다. 이 시기에 여러 언어의 사용은 언어적인 다양성을 줄 뿐만 아니라 비언어적 인지기능의 향상에도 도움이 된다고 알려져 있다. 하지만 다언어의 사용이 인지기능을 담당하는 뇌 전체 영역들 간 연결성에 영향을 주는지에 대한 이해가 부족하다. 따라서, 본 연구에서는 다언어 사용 아이들의 인지기능을 비교함과 더불어 뇌 전체의 기능성 연결망을 분석하여 여러 언어의 사용이 뇌 연결망에도 변화를 주는지 확인하고자 하였다.
2. 연구 내용
여러 언어를 사용하는 사람들은 하나의 언어를 선택하여 사용하고자 해도 그들이 알고 있는 모든 언어들이 뇌에서 동시에 활성화 된다. 이러한 현상 때문에 다언어 사용자가 언어활동을 할 때는 사용하고자 하는 언어에 집중해야하는 인지기능을 사용해야하고 사용하길 원치 않는 언어를 억제하는 인지기능 또한 함께 사용해야 한다. 지속적인 인지기능의 사용은 결국 다언어 사용자에게 해당 기능의 향상을 가져온다고 알려져 있다. 인지기능은 뇌의 특정 영역에서 담당하기보단 뇌 전체의 협력이 필요하기 때문에 다언어 사용이 뇌에 미치는 영향을 보기 위해서는 뇌 전체의 연결 패턴을 보는 것이 중요하다. 또한, 언어의 습득과 인지기능 발달에 매우 중요한 시기인 발달단계에서 해당 영향성을 보는 것은 다언어 사용이 가져오는 인지기능 및 뇌 연결의 변화가 어떻게 정립되는지 이해하는데 도움을 줄 수 있다.
이번 연구원은 9-10세 아이들을 다언어 사용 그룹과 단일언어 사용 그룹으로 나누어 그들의 인지기능 점수 (주의집중, 작업기억 기능)를 비교하였다. 또한, 연구원은 뇌전체 연결망을 이용하여 두 그룹의 뇌 패턴을 비교하고 각 그룹의 패턴이 그 그룹을 대표하는지 분류분석(classification)을 통해 확인하였다. 더 나아가 뇌의 연결망을 통해 아이의 인지기능 점수를 예측할 수 있는지 예측모델을 만들어 확인하였다. 연구팀은 여러 언어를 사용하는 9-10세의 아이들이 그렇지 않은 아이들보다 작업기억 인지기능 과제에서 높은 점수를 얻은 것을 확인하였다. 또한 두 그룹 간 뇌 연결망 패턴에 차이를 보였는데, 다언어 그룹에서는 뇌의 전두엽과 후두엽 사이 강한 연결을 보인 반면 단일언어 그룹에서는 주로 뇌의 후두엽 내에서의 강한 연결을 보였다. 두 그룹은 뇌 연결망만으로도 그 아이가 단인언어 사용자인지 아닌지 구별할 수 있을 만큼 각 그룹을 대표하는 패턴을 가졌다. 마지막으로 다언어 사용 아이들의 뇌 연결망으로부터 그 아이의 과제수행 점수를 성공적으로 예측할 수 있었는데, 이는 다언어 사용 아이들의 뇌와 행동이 서로 잘 연관되어 있다는 것을 나타낸다.
이번 연구팀은 이러한 분석 방법들을 통해 성인과 비교했을 때 상대적으로 짧은 언어사용 기간에도 불구하고 여러 언어를 사용하는 것이 그들의 인지기능과 뇌 연결망에 유의미한 변화를 가져온다는 것을 확인하였다.
3. 기대 효과
다언어 사용은 언어적인 측면뿐만 아니라 비언어적 인지기능에도 도움이 된다. 또한 나이가 들거나 퇴행성 뇌질환으로부터 오는 인지기능의 저하에 다언어 사용자가 단일언어 사용자보다 잘 대처한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 발달단계에 있는 아이들의 다언어 사용이 아이들의 인지기능과 뇌의 연결성에 미치는 영향성을 확인함으로써, 다언어 사용의 영향이 발달단계를 거치며 성인이 될 때까지 어떻게 변화하는지 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대했다.
□ 그림 설명
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| 다언어 사용 아동과 단일언어 사용 아동의 뇌 전체 연결망 차이를 나타내는 이미지 : 다언어 사용 아이들은 단일언어 사용 아이들에 비해 뇌의 전두엽과 후두엽 사이 강한 연결망을 보인다. |
□정용 교수 이력사항
○ 2007년~현재: KAIST 바이오및뇌공학과 교수
○ KI 헬스사이언스 연구소 소장
○ LG전자-KAIST 디지털헬스케어센터장, KAIST 스마트홈연구센터장
○ 현 대한뇌기능매핑학회 이사장
○ 2002년: 신경과 전문의
○ 2002-2003년: 삼성서울병원 임상강사
○ 2003~2005년: 미국 플로리다대학교 Fellow
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