거울신경계에 근거한 행위 관찰이 연속반응 시간과제의 수행능력과 대뇌피질 재조직에 미치는 영향 = Effect of action observation based on mirror neuron system on movement performance ability of serial reaction time task and brain cell reorganization

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The object of this study was to examine the effect of motor learning on movement performance ability, brain reorganization and electroencephalogram(EEG), depending on the method of motor learning. The study was conducted with normal adult males in their twenties from September 10, 2009 to February 28, 2010. The behavior data and EEG data were measured in 36 men and brain reorganization was measured in 9 men, the rest of subjects, by fMRI. The subjects were divided into the following groups depending on the method of motor learning: actually practice (AP) group, action observation (AO) group and motor imagery (MI) group. In order to examine the effect of motor learning depending on the method of motor learning, the reaction time and accuracy which are the behavior data were measured before and after learning. EEG test was conducted before, during and after learning in order to see the changes in spontaneous potential. For the investigation of brain reorganization, fMRI was conducted.
The results of this study are as follows;
1. The results of the analysis which was conducted on behavior data measured before and after motor learning in each group are as follows; (1) although the reaction time significantly decreased in all three groups from pre- to post-learning, the decrease shown in AO group and AP group was statistically significant as compared to MI group; (2) the accuracy increased significantly in all three groups from pre-to post-learning; and (3) such increase in accuracy was statistically significant in actually practice group as compared to motor imagery group.
2. The analysis of spontaneous potential measured during motor learning, in each group resulted in the followings; (1) the AP group and AO groups showed statistically significant inhibition in relative alpha power in the area of Fz, Cz, Oz, C3, T3, and T4 as compared to MI group; (2) there was no significant change in relative beta power and relative gamma power; and (3) the AP group and AO group showed statistically significant inhibition in relative mu power in the area of C3, Cz, C4, Pz, Oz, T3, and T4 as compared to MI group. The results of analysis which was conducted on EEG data measured after learning in each group are as follows; (1) the AP group and AO group showed significant difference in relative alpha power in the area of Pz, Oz, C4, T3, and T4; (2) there was no statistically significant difference in relative beta power and relative gamma power between three groups; and (3) relative mu power showed statistically significant difference in the area of Cz, Oz, C4, T3, and T4 between three groups.
3. The correlation analysis examined the relationships between relative alpha power, relative beta power, relative gamma power and relative mu power which were measured during motor learning and analyzed. The results of this analysis showed that; (1) there was a strong positive correlation between relative mu power and relative alpha power in the area of Cz, Pz, Oz, T3 and T4; (2) there was a statistically significant negative correlation between relative mu power and relative beta power in the area of Cz, Pz, Oz, and C4; and (3) the relationship between relative mu power and relative gamma power showed a strong negative correlation in the area of Oz.
4. The results of brain reorganization measured before, during and after learning were as follows; (1) the activation in primary motor area, somatosensory area and somatosensory association area had a tendency on the increase from pre to post learning in all three groups; (2) During learning, the AP group showed the activation in the following areas: primary motor area located in precentral gyrus, somatosensory area located in postcentral gyrus, supplemental motor area and prefrontal association area located in precentral gyrus, middle frontal gyrus and superior frontal gyrus, speech area located in superior temporal gyrus and middle temporal gyrus, Broca’s area located in inferior parietal lobe and somatosensory association area of precuneus; (3) the AO groups showed the activation in the following areas: primary motor area located in precentral gyrus, prefrontal association area located in middle frontal gyrus and superior frontal gyrus, speech area and supplemental motor area located in superior temporal gyrusand middle temporal gyrus, Broca’s area located in inferior parietal lobe, somatosensory area and primary motor area located in precentral gyrus of right cerebrum and left cerebrum, and somatosensory association area located in precuneus; and (4) the MI group showed activation in the following areas: speech area located in superior temporal gyrus, supplemental area, and somatosensory association area located in precuneus.
Given the results above, in this study, the action observation was suggested as an alternative to motor learning through actual practice in serial reaction time task of motor learning. It showed the similar results to the actual practice in brain reorganization and EEG data which were obtained using activation of mirror neuron. This result suggests that the brain reorganization occurred by the activation of mirror neuron, which was observed during action observation. The mirror neurons are located in primary motor area, somatosensory area, premotor area, supplemental motor area and somatosensory association area. Through the results above, it also can be concluded that motor learning using action observation can increase the reaction time and accuracy. In sum, when we plan a training program through physiotherapy to increase the effect during reeducation of movement, the action observation as well as best resting is necessary in increasing the effect of motor learning with the patients who cannot be engaged in actual practice.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 운동 학습 시 운동 학습 방법에 따른 운동 수행 능력과 뇌신경 재조직 그리고 뇌파에 미치는 영향을 알아보기 위해 2009년 9월 10일부터 2010년 2월 28일까지 20대 정상 남자 성인을 대상으로 실험하였다. 이 중 36명은 행동학적 검사와 뇌파 검사를 실시하였고, 나머지 9명은 기능적 자기공명영상 검사를 실시하였다. 대상자는 학습 방법에 따라 실제 수행 그룹, 행위 관찰 그룹 그리고 운동 상상 그룹으로 나누어 실시하였다. 각각의 학습 방법에 따른 운동 학습 효과를 알아보기 위해 학습 전과 후의 행동학적 자료인 수행 반응 시간과 수행 정확도를 측정하였고, 학습 전․중․후에서 배경 뇌파의 변화를 알아보기 위해 뇌파 검사를 실시하였고, 뇌신경 재조직 양상을 알아보기 위해 기능적 자기 공명영상 촬영을 실시하였다.
본 연구를 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.
1. 각 군에서 운동 학습 전과 후의 행동학적 자료를 분석한 결과, 수행 반응 시간은 세 그룹 모두 학습 전과 후에서 유의하게 감소하였지만, 학습 후 행위 관찰 그룹과 실제 수행 그룹은 운동 상상 그룹에 비하여 유의하게 감소하였다. 수행 정확도는 세 그룹 모두 학습 전과 후에서 유의하게 증가하였지만, 학습 후 실제 수행 그룹은 운동 상상 그룹에 비하여 유의하게 증가하였다.
2. 각 군에서 운동 학습 중 배경 뇌파를 분석한 결과, 상대 알파 파워는 Fz, Cz, Oz, C3, C4, T3, T4영역에서 실제 운동 수행 그룹과 행위 관찰 그룹은 운동 상상 그룹에 비하여 유의하게 억제되는 양상을 보였으며, 상대 베타 파워와 상대 감마 파워는 유의한 변화를 보이지 않았다. 상대 뮤 파워는 C3, Cz, C4, Pz, Oz, T3, T4 영역에서 실제 수행 그룹과 행위 관찰 그룹은 운동 상상 그룹에 비하여 유의하게 억제되는 양상을 보였다. 각 군에서 학습 후 배경 뇌파를 분석한 결과, 상대 알파 파워는 Pz, Oz, C4, T3, T4 영역에서 실제 수행 그룹과 행위 관찰 그룹은 운동 상상 그룹과 유의한 차이를 보였으며, 상대 베타 파워와 상대 감마 파워는 세 그룹에서 유의한 차이를 보이지 않았다. 또한 상대 뮤 파워는 Cz, Oz, C4, T3, T4에서 세 그룹 간 유의한 차이를 보였다.
3. 각 군에서 운동 학습 중 분석된 여러 가지 뇌파(알파 파, 베타 파, 감마 파, 뮤 파) 사이에서 나타나는 상관성을 분석한 결과, Cz, Pz, Oz, T3, T4 영역에서 상대 뮤 파워와 상대 알파 파워 사이에 강한 양의 상관관계를 보였고, Cz, Pz, Oz, C4 영역에서 상대 뮤 파워와 상대 베타 파워 사이에서 통계적으로 유의한 음의 상관관계를 보였고, Oz 영역에서 상대 감마 파워와 상대 뮤 파워 사이에 강한 음의 상관관계를 보였다.
4. 학습 전․중․후에서 각 군의 뇌신경 재조직 양상을 살펴본 결과, 세 그룹 모두 학습 전에 비하여 학습 후 일차운동영역, 운동보조영역, 체 성 감각 영역, 체성 연합 영역에서 활성도가 증가하는 양상을 보였다. 또한 학습 중 실제 수행 그룹은 중심 앞 이랑의 일차운동영역, 중심 앞이랑, 중간이마이랑, 위이 마이 랑의 앞이마연합영역, 운동보조영역과 위관 자이 랑, 중간관자이랑의 언어영역, 앞쐐기소 엽의 체 성 연합 영역의 활성 도를 보였다.
행위 관찰 그룹은 중심 앞 이랑의 일차운동영역, 중간이마이랑, 위이 마이 랑의 앞이마연합영역, 위관 자이 랑과 중간관자이랑의 언어영역, 운동보조영역, 그리고 좌뇌와 우뇌의 중심 앞이랑, 중심 뒤이 랑의 체 성 감각영역, 일차운동영역, 앞 쐐 기소 엽 의 체 성 연합 영역의 활성을 보였다. 운동 상상 그룹은 위관 자이 랑 의 언어영역, 운동보조영역과 앞 쐐 기소 엽 의 체 성 연합 영역의 활성 도를 보였다.
이상의 결과를 종합해 보면 시열 반응 과제의 운동학습에 있어 실제 수행을 통한 운동학습 방법의 대안으로 제시한 행위 관찰은 거울 신경의 활성을 이용한 뇌신경 재조직 및 뇌파에서 실제 수행과 흡사한 양상을 보이는 결과를 보였다. 이는 행위 관찰 시 나타나는 일차운동영역, 체 성 감각영역, 운동보조영역 및 운동연합영역, 체 성 연합 영역에 위치한 거울신경의 활성으로 인하여 뇌신경의 재조직이 이루어 진 것으로 생각된다. 또한 이러한 결과를 통해 행위 관찰을 이용한 운동학습이 수행 반응 시간 및 수행 정확도를 높일 수 있었다고 할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로, 움직임의 재교육을 실시하는 동안 효과를 높이기 위해서 물리치료를 통한 훈련 프로그램을 계획할 때, 실제 수행이 불가능한 환자들에게 침상 안정뿐만 아니라 행위 관찰이 운동 학습 효과를 높이는데 중요하다고 하겠다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 1
• 2. 연구 목적 4
• 3. 연구 가설 5
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 1. 운동 학습 6
• 1) 운동 상상과 운동 학습 8
• 2) 행위 관찰과 운동 학습 10
• 2. 거울신경계 12
• 3. 뮤 리듬 14
• 4. 뇌파 15
• Ⅲ. 연구 방법 17
• 1. 연구 대상자 18
• 2. 실험 방법 및 절차 19
• 1) 실험 설계 19
• 2) 실험 방법 20
• 3. 실험 도구 및 측정 방법 23
• 1) 연속 반응시간 과제 23
• 2) 수행반응시간 및 수행 정확도 평가 24
• 3) 뇌파 측정 25
• 4) 기능적 자기공명 영상 27
• 4. 자료 처리 및 분석 28
• Ⅳ. 결과 29
• 1. 대상자의 일반적인 특성 29
• 2. 운동 학습 방법에 따른 행동학적 분석 30
• 1) 학습 방법에 따른 그룹 간 반응 시간 분석 30
• 2) 학습 방법에 따른 그룹 간 행동 수행 정확도 분석 32
• 3. 운동학습의 진행에 따른 영역별 뇌파 분석 34
• 1) 운동 학습의 진행에 따른 영역별 상대 알파 파워 분석 34
• 2) 운동 학습의 진행에 따른 영역별 상대 베타 파워 분석 50
• 3) 운동 학습의 진행에 따른 영역별 상대 감마 파워 분석 66
• 4) 운동 학습의 진행에 따른 영역별 상대 뮤 파워 분석 82
• 4. 운동 학습 방법에 따른 뇌파 분석 98
• 1) 그룹 간 영역별 상대 알파 파워 분석 98
• 2) 그룹 간 영역별 상대 베타 파워 분석 104
• 3) 그룹 간 영역별 상대 감마 파워 분석 110
• 4) 그룹 간 영역별 상대 뮤 파워 분석 116
• 5. 영역에 따른 파형 간 상관관계 분석 122
• 6. 기능적 자기 공명 영상 분석 130
• 1) 실제 수행 그룹의 자기공명영상 분석 130
• 2) 행위 관찰 그룹의 자기공명영상 분석 137
• 3) 운동 상상 그룹의 자기공명영상 분석 144
• Ⅴ. 고찰 151
• Ⅵ. 결론 163
• 참고문헌 164
• 영문초록 175