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Saturday, October 6, 2007

뇌의 기능근적외선 (fNIR) 인지신경 연구방법 소개

뇌의 기능근적외선 인지신경 연구방법 소개

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[A. 2002년 미국과학재단의 보고서에서 예측됨]

- 2002년도 미국과학재단 미래 융합과학기술 예측보고서는

미래에 근적외선 (Near Infra Red) 연구가 인간의 뇌에 대한 인지신경연구와 다른 분야들을 연결하여 큰 결과를 가져올 수 있다는 예측을 하였다
그 이후 근적외선 기법을 사용한 뇌 연구가 점증하고 있다.
이 기법은 머리띠처럼 생긴 기구를 (다른 형태의 기구를 사용할 수도 있다) 사용하는 데,
이 기구는 뇌를 수술하거나 뇌에 무엇을 집어넣거나 하는 침습적 방법이 아닌
비침습적(non-invasive) 기법으로, 뇌의 신진대사와 혈류를 측정하여 주어진 자극에 대한 피험자의 인지적, 정서적 정보처리 특성을 추론하는 방법이다


[B. 이 방법에 대한 간단한 영문 소개 사이트]

- 이 기능근적외선 인지신경 방법에 대한 간단한 소개 (반페이지)가 다음에 있다.
http://www.codata.org/06conf/abstracts/B6/kondoCODATA.pdf

[C. 이 방법의 개요를 설명한 ppt-pdf 파일 ]

Drexel 대학의 새명의학연구 팀을 소개하는 사이트에서
근적외선 기법을 사용하여 뇌-인지기능을 연구하는 방법의
-연구 기구 모양, 원리,
-신호처리 특성,
-fMRI과의 결과 대비,
-응용 분야 등을 설명하는 pdf (ppt)화일이 있다.

파일 용량이 8 메가가 넘어서 다운 받기에 다소 시간이 걸리지만
이 파일은 주요 그림과 요점을 제시하고 있다.
최근과 미래 뇌연구 방법에 관심있는 사람이라면 이 파일을 다운받아서
차근 차근히 보아 놓으면 많이 도움이 될 파일이다

이 파워포인트-pdf 파일의 주소와
내용 목차를 아래에 설명하여 놓는다.

.........................................................

http://www.biomed.drexel.edu/fnir/Contents/brain_imaging/fNIR_Presentation_Nov7.pdf


[파워포인트 pdf 파일의 내용 목차] (*끝의 숫자는 슬라이드 쪽)
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1. Neuroimaging Modalities -(슬라이드) 3
- fMRI/ PET 기법들의 특성과 문제점 -3
- EEG의 문제점 -4
- fNIR 기법의 장점 -4

2. Principles of fNIR spectroscopy -5-8
- Absorption
- Scattering
- Beer-Lambert Law
3. Instrumentation -9
- 슬라이드 10에서 보면 이 기구의 한 형태를 반창고처럼 이마에 붙이면
이 반창고같은 기구가 뇌인지기능을 포착하는 인지센서로서-cogno-sensors 작용하여
cogno-light 신호를 발생시키고 이것을 리시버를 통하여 컴퓨터에서 수신하여
뇌의 활동 특성을 잡아낸다는 그림이 있다.

4. Signal Processing - 11
- Preprocessing (Artifact Cancellation) -11
- Feature Extraction (Single Trial Analysis) -12

5. 인지기능의 평가 Assessment of Cognitive Function -13-
Target Categorization
-fMRI 결과 -13
-fNIR 결과 -14
Working Memory
-fMRI 결과 -15
-fNIR 결과 -16
Deception Detection
-실험상황 - 18
-fNIR 결과 - 19-20 (거짓말하는 사람들의 산소소모를 그림표로 보여줌)

6. Application Areas -21
Human performance studies
-Attention
-Working Memory
Training and Education
-Transition from novice to expert
-Learning enhancement
Homeland Security
-Deception monitoring
* Solution for natural environments
Clinical monitoring in -22
- Pediatrics
- Surgery / Anesthesiology
- Neurology
- Emergency Medicine and Critical Care
Neurorehabilitation
- Traumatic Brain Injury
Mental Health
- Autism, ADHD,…
- Schizophrenia, Depression,…


7, 연구원들 -23
8. 재정지원처


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[D. 이 외에 관련 자료를 더 찾아보고 싶다면]

일차적으로 위키피디아의 다음 자료를 찾아 볼 수 있을 것이다.

fNIRS
http://en.wikipedia.org/wiki/Functional_near-infrared_imaging

Near infrared spectroscopy
http://en.wikipedia.org/wiki/Near_infrared_spectroscopy

Infrared spectroscopy
http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy

이외에도 찾아볼 수 있는 자료는

이 기법에 대한 이론 논문
Brain–computer interface using a simplified functional near-infrared spectroscopy system

http://www.iop.org/EJ/article/1741-2552/4/3/007/jne7_3_007.pdf?request-id=8PVnxRx03BGZtTAN3Ai7Kg

기능근적외선 인지신경 자료분석법
http://sip.eng.uci.edu/fnirs.html
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E. 이 기능근적외선 인지신경법을 사용한 최근의 연구결과 : Tuft 대학


-터프트대학 연구자들은 이 기법을 적용하여
실험상황에서 사용자가 주어진 과제에 얼마나 관여되어 있는가 하는,
사용자의 지루함, 좌절을 읽어낼 수 있는 인지신경기법 fNIR의 연구 결과를
탐지하는 연구결과를 내었다.
http://www.sciencedaily.com/releases/2007/10/071001125649.htm

Source: Tufts University
Date: October 2, 2007
Technology Could Enable Computers To 'Read The Minds' Of Users
-Science Daily-

Friday, October 5, 2007

싸이언스지의 표지 기사: [동물과 인간의 사회적 인지 연구]와 그 시사점

싸이언스지의 표지 기사: [동물과 인간의 사회적 인지(cognition) 연구]와 그 시사점

선진국과 후진국을 구별짓는 한 차이는 문화의 중요성에 대한 인식의 차이이다.
선진국과 후진국을 구별짓는 다른 한 차이는 과학에서 무엇을 과학으로 보는가의 차이이다.

후진국: [물질중심의 과학관] 대
선진국: [물질 + 물질 이상의 현상(심리적, 지적, 문화적)을 포함하는 과학관]의
차이이다
후진국들은 선진국에서 과학을 뒤늦게 수입하였기에, 서구에서 예전부터 내려온 고전적 관점인 '물질 중심의 과학만 과학'이라고 하는 관점이 사회에, 학계에, 과학교육계, 정부기관 , 과학정책 기관에 팽배하여 있다.

최근의 싸이언스지의 표지기사로 실린 '사회인지' 관련 연구기사는 이런 측면에서 두 가지 시사를 준다. 이 기사에 의하면 침팬지와 오랑우탕과 2.5세 아기의 지적 능력을 여러 실험을 통하여 비교연구하였다. 이연구는 기본적으로 인지과학 이론을 검증한 연구이다.

이 연구에서는

가설1: 인간의 더 높은 인지적 능력, 지능을 지닌 것은 두뇌 크기 때문이다
가설2; 인간이 더 높은 인지적 능력, 지능을 지닌 것은 환경과의 상호작용 때문이다
가설2-1; 그 환경은 주로 먹이를 찾아 먹고 사는 물리적 환경에서의 적응 환경때문이었다
가설2-2: 그 환경은 주로 경쟁과 협동 등의 사회적 환경에서의 적응 환경 때문이었다.
가설2-3: 그 환경은 주로 서로 다른 문화집단을 생성하여, 이 문화집단들이 각기 독특한 인공물, 상징들, 사회적 제도와 관행중심으로 적응하게 하는 그러한 환경때문이었다. 즉 유아 초기부터 사회-문화적 인지를 습득한 때문이었다.

이러한 문화지능(문화적 인지기술) 가설을 검증하기위한 일련의 연구가 실시되었고. 그 결과가 페이지 면수 할애에 인색하기로 소문난 사이언스지의 7페이지를 점하는 표지기사로 실렸다.

이 실험 연구는 실험심리학자이며 막스플랑크연구소 교수인 Michael Tomasello 등이 만들어낸 '영장류 인지기능검사' 틀에 의하여 이루어졌다

이 실험 결과에서 보면, 물질 대상 영역에서의 지적 능력 (공간, 수량, 인과성 인식) 에서는 침팬지나 오랑우탕이나 인간이 그리 큰 차이가 없었는데

사회적 영역에서의 지적 능력(사회적 학습, 커뮤키네이션, 상대방의 마음 읽기(TOM, 마음이론)에서는 현격한 차이를 보여주고 있다. 사회적 학습에서는 침팬지와 오랑우탕이 거의 제로 수준에 지나지 않았는데 인간의 아기는90% 수준에 이르렀다.

이 세 집단간의 단적인 차이를 보여주는 그림표들이 뚜렷이 논문에 제시되어 있다. (이 차이가 뚜렷이 드러나는 그림표가 앞으로 많은 다른 연구논문, 교재들에서 인용되리라 본다.)
인상적인 그림표이다.

2세 인간 아이의 물질 영역에 대한 지적 능력은 진화역사에서 6백만년 전에 인간과 갈라진 침팬지나 오랑우탕과 거의 차이가 없는데, 인간 아기 2세의 사회적 인지기술은 벌써 이 동물들과 큰 차이를 보이고 있다.

이러한 연구 결과를 어찌 해석할 것인가?물질을 다루고 물질에 대한 인과관계를 인식하는 데는 유인원과 인간 아기가 그 지적 능력이 다르지 않는데,
인간과 동물 일반, 나아가서 상위수준의 동물인 유인원과 크게 다른 것이 바로 사회인지 지능이라는 이 결과는 가설 2-3을 지지한다.

그러나 그냥 인간이, 유인원 동물보다 단순히 일반적인 지능(지능 g)의 기억, 학습, 지각 등의 인지적 정보처리 능력이 우월하였다기보다는, 다음과 같은 인지적 능력이 더 높아지게 하는 사회문화적 환경 탓이었던 것으로 결론지을 수 있다.

. 진화역사 상에서 인류의 아기들은 침팬지나 오랑우탕보다

- 물질 중심으로 대상을 다루는 그런 것이 아닌 일, 활동에서 사물의 인과관계를 지각하는 능력이 더 발달하였다고 볼 수 있다.

- 보이는 물질 대상들 사이의 인과관계가 아니라,
보이지 않는 물질들 사이의, 또는 보이지 않는 물질과 추상적, 상징적, 사회적 사건(대상) 사이의, 또는 보이지 않는 사회적, 상징적, 추상적 사건/대상 사이의 인과적 관계를 지각하고 활용하는데 있어서 더 우월하였다고 할 수 있다.
(...ability to understand unobserved causal forces in general. (1365쪽)

- 특히 다른 사람이나 동물이나 생물의 마음 읽기 (reading the mind of other organisms) 능력 즉 TOM (마음이론; Theory of mind; 상대방의 마음이 어떨 것이다 라고 내 마음 속에서 생각하여 짐작하는 마음 읽기 능력)에서, 오랑우탕이나 침팬지와는 달리 뛰어나게 우월하였을 것이다

- 이러한 능력은 원시시대의 (아마도 직립인간 이후의 어느 시대) 수렵과 채집의 경쟁과 협동 활동이라는 복잡한 형태의 인간 사회적 활동을 통하여 (이전에 하등 동물에서도 초보적으로 가지고 있었던 초보적 의사소통의 인지기술과 사회적 학습 기술이 더 복잡한 특수화된 형태로 발전되어 연결되면서) 이루어졌을 것이다.

동물과 인간의 지능의 차이의 핵심: 물질중심의 지능을 갖고 있는가 (인간-동물 공통) 보다는, 그것 플러스 복잡한, 세련된 사회-문화적 인지 능력(skills)을 지니고 있는가의 기본적인 차이에 있다.

빗대어 유추하자면: 선진과학국가와 후진과학국가의 차이의 핵심: 물질중심의 과학관을 갖고 있는가 보다는(선진국-후진국 공통으로 보유), 물질을 넘어선 그 이상 수준의 과학관을 갖고 있는가의 차이에 있다.

단적인 증거(단순화 하여 빗대어서 본다면):
-미국, 유럽 과학계에서는 위와 같은 현상을 연구하는 심리학, 인지과학, 인류학이 자연과학으로 취급되고 과학학술지 싸이언스 지의 표지 논문기사로도 실리지만, 물질중심의 과학관이 팽배한 한국에서도 이런 연구가 과학적 연구가 아니라고 밀쳐지는 현재의 현실 상황을 넘어서서,
전문과학지에 실리는 가능성이 현실화 되려면 앞으로 10여년을 더 기다려도 될까 말까?
-이러한 한국적 상황에 함께 아파하는 우리들 !

[극단적 비유]
- : 침팬지, 오랑우탕, 후진국과학관: -> [물질 중심]
- : 인간아기, 선진국 과학관 : -> [물질 + 그 이상의 현상(인지, 심리, 문화 등) 포함 ]

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* 이런 비유에 동의 안할 분도 있겠지요 ?

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Science 지의 원자료

http://www.sciencemag.org/cgi/content/full/317/5843/1360

Science 7 September 2007:
Vol. 317. no. 5843, pp. 1360 - 1366
DOI: 10.1126/science.1146282

Humans Have Evolved Specialized Skills of Social Cognition: The Cultural Intelligence Hypothesis
-저자: Esther Herrmann,1* Josep Call,1 María Victoria Hernàndez-Lloreda,2 Brian Hare,1,3 Michael Tomasello1
(1=막스플랑크 연구소 )