Giovanna Mollo, Friedemann Pulvermuller and Olaf Hauk
Movement priming of EEG/MEG brain responses for
action-words characterizes the link between
language and action(2016)
대상과 행위와 관련된 언어자극의 지각에 따라오는 뇌의 감각운동 영역에서 활성은 embodied semantics의 강력한 이론을 증명하는 것으로 해석되고 있다. 많은 연구들이 이런 언어 대 행위 연결을 증명해주고 있지만, 언어 수행(행위 대 언어 연결)에 영향을 주는 감각운동 시스템에서의 활성이 어떻게 이루어지는지에 대한 중요한 질문에 대한 대답은 아직 없다. 몇몇 저자들이 지적하는 것처럼, 그런 논쟁은 체화된 또는 체화되지 않은 관점에서 멀어질 것이다. 또 다른 목적은 더 자세하게 언어처리에서 감각운동 시스템의기능적 역할을 밝혀내는 것이다. 이런 목적을 달성하기 위해서 우리는 EEG/MEG를 결합시킨 새로운 운동 프라이밍 패러다임을 소개한다. 그것으로 행위 단어의 시공간적 동역학에서 운동피질 전 활성의 영향을 실험할 수 있을 것이다. 대상자들은 행위단어를 이용하는 두개의 교대 선택 과제를 실행하기 이전에 손가락 또는 발 운동을 하는 것으로 실험에 임했다. 우리는 행동 반응효과는 나타나지 않았지만 행동에따라 이루어지는 손과 발에 관련된 단어 처리의 초기 단계동안 차이나는 뇌활성을 밝혀내었다. EEG/MEG 측정이 결합된 분산된 전류원 추정은 반응 시작에 사용된 효과기 유형과 단어자극의 시각적 자극이후 약 150ms에서 운동피질 뿐만 아니라 전통적인 언어 이해 영역, posterior superior temporal cortex에서 행위단어 범주 사이의 일치효과가 나타났다. 이것은 손과 발 운동 네트워크의 전활성이 각 손과 발 관련된 단어에 대한 의미적 세포 집단의 발화를 다르게 촉진할 것이라는 것을 제시한다. 우리의 결과는 언어와 감각운동 시스템 사이의 연결을 기능적으로 설명해주는 신경영역의 결합에서 운동 프라임의 유용성을 증명해준다.
운동시스템의 상태가 언어처리에 영향을 줄 수 있는지를 알아낼 수 있다.
원칙적으로, 이런 패러다임은 다른 자극양태를 적용할 수도 있다(즉, 색단어의 색 프라이밍을 사용).
EEG/MEG 연구들은 다양한 행위단어 활성이 자극 이후 약 150-200ms 빠른 처리가 발생한다는 증거를 제공해왔다(Boulenger, Shtyrov & Pulvermuller, 2012; Hauk & Pulvermu¨ ller, 2004; Hauk, Shtyrov, &
Pulvermu¨ller, 2008; Kiefer et al., 2008; Klepp et al., 2014; Moseley et al., 2013; Pulvermu¨ ller, 2001).
Somatotopy of action-words(SAW) 모델에 따르면 행위단어 의미는 Lt.perisylvian cortex에 있는 핵심언어 영역을 구성하는 세포집합체에 분산되어 저장된다. 뿐만아니라 감각운동 피질의 효과기 특이적 부분에도 이들 세포 집합체들은 헵가소성에 기반을 두고 형성되었다고 가정된다. 그리고 그 부분 중 하나의 발화는 전체집합의 활성을 유발할 것이다. 최근 MEG 연구는 단어 개시 이후 약 150ms 운동영역에서 행위단어의 유형에 따라 다른 활성이 보고되고있다(Moseley et al., 2013). 그리고 최근 행동반응 뿐 만아니라 ERP 데이터는 의미정보 인출이 거의 160ms 정도에서 시작될 수 있다는 것을 지적했다(Amsel et al., 2013; Hauk et al., 2012). 따라서 이 범위 기간에서 perisylbian 언어영역에서의 일치효과는 의미정보 인출동안 언어영역에 대한 운동피질에서의 활성 효과에 대한 강력한 증거가 될 수 있다.
EEG와 MEG를 이용한 뇌 반응은 동시에 측정되었고 분산된 전류원 추청이 동반되었다.
region-of-interest(ROI) 분석에서, 우리는 효과기 유형(버튼을 누르는 손 또는 발)과 단어유형(손 또는 발과 관련된 단어) 사이의 일치성이 빠른 처리단계에서 좌반구 운동영역과 언어영역에서 활성을 조절할 수 있을 것인가를 검증하였다. 우리는 이전 연구에서 의미처리에서 적용된 언어영역들을 선택하였다(Binder, Desai, Graves, & Conant, 2009; Bookheimer, 2002; Geschwind, 1970; Patterson et al., 2007; Vigneau et al., 2006).
- ATL, 왼쪽 pSTL(wernicke's), IFG(Broca's)
Functional data Results
잡음제거는 평균 시행의 17.2%가 제거되었다. 여기서 제거된 것은 SD과제에서 18.5%, LD과제에서 시행의 15.9%, 발 반응의 18.7%, 손 반응의 15.7%, 그리고 다리관련 단어의 17.6%와 손 관련 단어의 16.8%로 나눠질 수 있다. 각 조건에서 제외된 시행들 사이의 통계학적 유의성은 없었다.
그림 2는 모든 조건의 모든 행위관련 단어에서 102개 자력계, 204개 경도측정기, 70개 EEG 채널들 간에 계산된 SNR곡선의 RMS를 보여준다. 그것은 ERP/FS의 전체 신호강도의 시간과정을 설명한다. 자극 개시 이후 처음 500ms 동안 108ms, 156ms, 276ms, 342ms에서 피크가 발생했다. 선행 연구와 유사하게, 초기 발생된 효과를 획득하기 위해서 그 피크들에 대해서 20ms 기간의 겹치지 않는 짧은 시간창을 설정했다. 시각적 단어재인의 정확한 시간 과정에 대한 어떠한 의견일치가 없었더라도, 두 개의 최근 연구는 의미정보 인출이 자극개시 이후 약 160ms에서 시작될 수 있다는 관점을 수용했다(Amsel et al., 2013; Hauk et al., 2012). 행위단어 유형 사이의 차이는 약 150ms(Moseley et al., 2013)와 200ms(Hauk & Pulvermuller, 2004; Klepp et al., 2014)에서 나타났다. 시각적 사물범주들 사이에서 뇌 영역의 차이는 150ms(Fbre-Thorpe, Delorme, Marlot, &
Thorpe, 2001) 또는 그 보다 더 빨리(Boutonnet & Lupyan, 2015) 관찰되어왔다. 따라서 우리는 약 150ms와 그 이후 주기에서 나타난 피크에 초점을 맞추었다.
우리는 운동반응과 함께 피질 운동시스템에서 그것과 관련된 활성이 초기 처리단계에서 운동영역과 비운동 영역 모두에 있는 행위관련 단어의 언어처리에 영향을 주는지 그리고 어떤 효과가 의미적 단어유형에 특이적 인지를 검증했다. 최근 연구는 어휘 결정과제와 의미결정과제에서 유사한 시간 과정을 보고했다. 그리고 우리는 우리의 행동데이터에서 과제 요인과의 상호작용을 찾지 않았다. 그런 이유로, 우리는 본 연구의 EEG/MEG 데이터의 통계적 분석에서 과제 요인을 포함시키지 않았다.
다음에서, 우리는 '일치성 효과'와 같은 반응 유형과 단어 유형 요인들 사이의 상호작용을 포함하는 효과에 관하여 다룰것이다. ROI 요인의 주효과가 민감성에서 차이로 인해 의미없다는 것을 알아둬라. 즉, 전류원 깊이, 해부학적 또는 센서수렴과 관련해서.반복측정 비교를 하고 막대 그래프에서 오류 바는 대상자들 사이의 타당성이 제거되어진 후 평균의 표준오류를 가리킨다.
Perisylvian 언어 ROIs
비운동성 perisylvian 언어 ROIs(IFG, pSTG, ATL), 반응유형(손, 발), 단어유형(손, 발관련 단어) 요인들을 포함하는 전류원 추정에 수행된 선형 복합-효과 모델링과 ANOVA를 이용하여 검증되었다. ROIs는 모든 평균의 모든 조건에 대한 MNE 전류원 추정을 기반으로 정의 되었다.
150msec
반응유형과 단어유형 조건에 대한 어떤 주효과도 없었다(F<1): 반면 언어 ROIs의 주효과가 있었다[F(2, 32)=3.77, p<.05]. 가장 중요한 것은, 우리는 언어 ROIs(3)×반응유형(2)×단어유형(2) 상호작용이 통계적으로 유의하게 나타난 것처럼 ROIs 간 다른 일치성 효과를 찾았다[F(1, 16)=4.52, P<.05]. 각 언어 ROIs 수준에서 더 자세한 분석은 단지 pSTG에서만, 유의한 일치성 효과를 보였다. 즉 반응유형(2)×단어유형(2)의 상호작용[F(1, 16)=5.77, P<.05] 계획된 비교는 pSTG에서 교차-혼합 상호작용을 확인했다. 그 결과 발 반응동안 활성이 손관련 단어(13.6㎁)에서 보다 발관련 단어(9.5㎁)에서 더 약하게 나타났다. 반대로, 손 반응동안 발관련단어(12.9㎁)와 비교해서 손관련 단어(10.7㎁)에서 더 낮은 신호크기를 보이는 반대 반응이 관찰되었다[t(16)=-2.03, P=.03, d=.45]. 그림 4A는 STG에서 피질 활성의 시간과정을 나타내준다. IFG와 ATL은 어떠한 주효과나 상호작용도 없었다.
276msec
약 276ms에서 전류원 추정에서 수행된 반복측정 ANOVA는 언어 ROIs 요인의 주효과가 나타났다[F(2, 32)=15.87, P<.001]. 다른 어떤 주효과 또는 상호작용도 나타나지 않았다. 각 언어 ROIs에 수행된 분석은 더 이상 통계적으로 유의한 효과가 나타나지 않았다.
350msec
약 350ms에서 시간창의 분석은 ROIs 요인에 대한 주효과만 나타났다[F(2, 32)=6.43, P<.01]. 다른 어떤 주효과나 상호작용이 통계적으로 유의한 수준에 도달하지 못했다(all< F,1). 각 언어 ROIs 요인 수준에서 더 많은 분석은 어떤 통계적으로 유의한 효과를 드러내는 것에 실패했다.
Congruency effects in motor ROIs
이전 연구들에서 운동영역에서 빠른 뇌 활성에 대한 행위단어 처리의 다양한 효과를 보고해오고 있다. 따라서 우리는 위에서와 같은 시간 간격으로 일치성효과에 대한 운동 ROIs를 분석했다. 그러나 실제 운동에 의한 운동피질의 전-활성은 운동 피질에서 활성이 강하게 유지되는 것을 감소시킬 것이라 예상된다. 이런 형태의 분석은 행위 단어유형에 의해서 미묘하게 다른 조정을 드러내지 않을 수 있기 때문이다.
우리는 손과 발과 같은 두 가지 운동 ROIs에서 전류원 추정에 대한 반복측정 분산분석을 적용하여 운동영역에서 빠른 일치성 효과의 가설을 검증하였다. 이들 운동 ROIs는 각각 손과 발을 이용한 버튼 누르기로 부터 MNE 국지화된 것에 기반을 두었다(그림 3A와 B).
우리는 운동 ROIs(2)×반응유형(2)×단어유형(2)의 삼원 상호작용을 반영하는 유의한 일치성 효과를 획득하였다[F(1,16)=8.57, P<.01]. 우리는 또한 운동 ROIs(2)×반응유형(2)의 유의한 상호작용을 획득하였다[F(1, 16)=4.23, P=.06]. 다른 어떤 주효과나 상호작용도 유의한 수준에 도달하지 못했다.
더 자세한 삼원 상호작용을 분석하기 위하여 우리는 반응유형과 단어유형 요인을 포함하는 각 운동 ROIs에 대한 분산분석을 수행하였다. 우리는 단어유형과 반응유형 사이의 유의한 상호작용을 나타내는, 손 ROI에서 유의한 일치성 효과를 찾아내었다[F(1, 16)=5.04, P.05]. 따라서 일치된 조건은 불일치 조건보다 더 낮은 운동활성을 만들었다. 낮은 신호 크기는 발관련 단어처리(10.1㎁)와 비교하여 발관련 단어(8.3㎁) 동안 손의 반응에서 관찰되었을 뿐 만 아니라, 계획된 비교가 유의하지 않게 나오긴 했지만, 팔관련 단어(10.6㎁)와 비교해서 발관련 단어(8㎁) 동안 발의 반응에서도 나타났다. 우리는 발의 누르는 행위 다음에 발관련 단어에서 보다 팔관련 단어에서 더 활성이 일어나는 경향을 발견하였다. 다른 비교에서는 유의한 수준에 도달하지 못하였다. 그림 4C와 D는 손 ROI에서 이런 상호작용을 설명해준다.
발의 ROI에서는 어떠한 주효과나 상호작용도 발견되지 않았다. 발 운동영역은 중심열의 내측 부분에 위치된다는 것을 알아둬라: 따라서 이 부근에서 오는 신호는 전극으로 부터 거리가 멀기 때문에 감소될 수 있다
(Hämäläinen, Hari, Ilmoniemi, Knuutila, & Lounasmaa, 1993; Hillebrand & Barnes, 2002). 이것은 발 ROI에서 낮은 통계적 감수성을 이끌 것이다. 이런 해석은 그림 3에 나타내었다. 그것은 손 ROI에 비하여 이 영역에서 낮은 신호크기를 보여준다.
276msec
우리는 반응유형(2)×단어유형(2)의 미미하게(marginally) 유의한 상호작용을 찾아내었다[F(1, 16)=4.04, P=.06]. 우리는 다른 조건과 비교해서 발관련 단어에서 손 반응(불일치 조건) 동안 전반으로 높은 신호크기를 알수 있었지만 계획된 비교에서 유의하지는 않았다.
350msec
우리는 이 시간구간에서는 어떤 통계적으로 유의한 효과를 발견할 수 없었다.
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