운전 수행 시와 운전 중 주의 분산 요인에 의해 활성화된 뇌 영역간의 유효 연결성 차이 : 뇌 기능 연구 = Differences of effective connectivity for only driving and secondary task during driving : An fMRI study

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 뇌 기능 영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI)을 이용하여 80km/h로 운전만 수행할 때와 운전과 주의 분산 과제를 동시에 수행할 때 활성화되는 뇌 영역의 유효 연결성(effective connectivity)차이를 확인해보고자 한다. 실험은 한 블록 당 1분간의 휴식, 2분간의 운전 또는 운전+주의 분산 과제(덧셈과제)로 구성되며, 3회 반복실험을 수행하였다. 운전만 수행할 때(우뇌: Inferior Temporal Gyrus, Precuneus, Lingual Gyrus / 좌뇌: Inferior Parietal Lobule, Superior Temporal Gyrus, Inferior Frontal Gyrus)와 운전과 주의 분산 과제를 동시에 수행할 때 (우뇌: Insula, Thalamus, Precentral Gyrus / 좌뇌: Lingual Gyrus, Precentral Gyrus, Superior Temporal Gyrus)활성화 된 영역 중 z-score가 가장 큰 영역을 선택하고, Dynamic Causal Modeling(DCM)기법을 이용하여 유효 연결성을 추출하였다.
운전만 수행할 때 우뇌의 경우, 세 영역간의 양방향 연결성이 모두 크게 나타났고, visual pathway와 유사한 연결을 확인 할 수 있었다. 좌뇌의 경우, 세 영역간의 양방향 연결성이 모두 크게 나타났고, 경계, 집중에 의한 연결성이 크게 나타났다. 우뇌+좌뇌의 경우에는 Left Superior Temporal Gyrus에서 Right Inferior Temporal Gyrus, Right Lingual Gyrus, Left Inferior Parietal Gyrus, Left Inferior Frontal Gyrus로의 연결성이 크게 나타났고, 청각과 시각, 주의, 집중에 관한 연결성이 크게 나타났다. Right Lingual Gyrus에서 Right Precuneus의 연결성은 Right Lingual Gyrus에서 Right Inferior temporal Gyrus의 연결성보다 크게 나타났다. 이는 시각에 의한 공감각적인 인지가 더 크게 나타났다는 것을 의미한다. Right Inferior Temporal Gyrus에서 Left Inferior Parietal Lobule의 연결성이 크게 나타났으며, 이는 spatial attention과 관련된 연결성이다. Left Inferior Frontal Gyrus에서 Right Precuneus의 연결성이 크게 나타났고, 이는 위험회피, 경계에 관련된 연결성이다.
운전과 주의 분산 과제를 동시에 수행할 때, 우뇌의 경우, Thalamus에서 Insula, Insula에서 Thalamus, Precentral Gyrus의 연결성이 크게 나타났고, 이는 motor pathway와 유사한 연결성이다. 좌뇌의 경우, Superior Temporal Gyrus에서 Lingual Gyrus, Precentral Gyrus의 연결성과, Precental Gyrus와 Lingual Gyrus의 양방향 연결성이 크게 나타났고, 이는 듣고 말하기에 관련된 영역과 시각 및 motor영역과 관련된 연결성이다. 우뇌+좌뇌의 경우, Right Thalamus에서 Right Insula, Left Precentral Gyrus, Left Superior Temporal Gyrus, Left Lingual Gyrus의 연결성이 크게 나타났고, 이는 motor pathway와 유사하며, 주의 분산 과제로 인해 운전 중 불필요한 움직임을 제어하기 위한 연결성이 크게 나타났다.
운전만 수행할 때는 주의력 분산 없이 운전에만 집중 했기 때문에 집중에 의한 연결성과 공감각적 인지가 큰 visual pathway와 유사한 연결성이 크게 나타났다. 운전과 주의 분산 과제를 동시에 수행할 때는 motor pathway와 유사한 연결성이 크게 나타났고, 과제에 의한 듣고 말하기와 관련된 연결성도 크게 나타났다. 또한 주의 분산 과제로 인해 운전에 방해를 받아 불필요한 움직임의 제어와 관련된 연결성도 크게 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study tries to check the differences of effective connectivity in the brain region which is activated when subjects just drive cars at the speed of 80km/h and when they drive cars with secondary task by using functional magnetic resonance imaging (fMRI). The experiments consisted of three blocks, each block consisting of both a Rest phase (1 min) and a Driving phase (2 min). During the Rest phase, the drivers were instructed to look at the stop screen and not to perform driving tasks. During the Driving phase, the drivers either drove (Driving) or drove while performing additional secondary tasks (Driving+task) at 80 km/h. The highest z-score were selected in the activated regions when the subjects just drive cars (Right hemisphere: Inferior Temporal Gyrus, Precuneus, Lingual Gyrus / Left hemisphere: Inferior Parietal Lobule, Superior Temporal Gyrus, Inferior Frontal Gyrus) and when they drive cars with secondary task (Right hemisphere: Insula, Thalamus, Precentral Gyrus / Left hemisphere: Lingual Gyrus, Precentral Gyrus, Superior Temporal Gyrus) and effective connectivity was extracted by using the Dynamic Causal Modeling (DCM) technique.
On Driving, bidirectional connectivity among three regions in the right hemisphere is all high and connectivity was similar with the visual pathway. In the same condition, bidirectional connectivity among three regions in the left hemisphere is all high and both connectivity by guard and concentration was high. The connectivity in the Right and left hemispheres have found from Left Superior Temporal Gyrus to Right Inferior Temporal Gyrus, Right Lingual Gyrus, Left Inferior Parietal Gyrus, and Left Inferior Frontal Gyrus. These connection related to auditory sense, vision, attention, and concentration. Connectivity from Right Lingual Gyrus to Right Precuneus as found to be higher than connectivity from Right Lingual Gyrus to Right Inferior temporal Gyrus. This means that synaesthetic cognition by vision is higher. Connectivity of Left Inferior Parietal Lobule in Right Inferior Temporal Gyrus has found to be high and this is the connectivity related to spatial attention. Connectivity of Right Precuneus in Left Inferior Frontal Gyrus has found to be high and this is the connectivity related to risk aversion and guard.
On Driving+Task, connectivity from Thalamus to Insula and from Insula to Thalamus and Precentral Gyrus in the right hemisphere is high. This is the connectivity which is similar with the motor pathway. In the same condition, connectivity from Superior Temporal Gyrus to Lingual Gyrus and Precentral Gyrus, bidirectional connectivity of Precental Gyrus and Lingual Gyrus in the left hemisphere are high. This is the connectivity related to listening and speaking and the motor region. The connectivity in the Right and left hemispheres have found from Right Thalamus to Right Insula, Left Precentral Gyrus, Left Superior Temporal Gyrus and Left Lingual Gyrus. This is similar with the motor pathway, and connectivity to control movements which are unnecessary while driving due to distraction tasks is high.
On Drivng, connectivity by concentration and the connectivity which is similar with the visual pathway including high synesthetic cognition are high because they concentrated on driving without dispersion of attention. On Driving+Task, connectivity which is similar with the motor pathway is high and connectivity related to listening and speaking by tasks is high. And connectivity related to control of the movements which are unnecessary by disturbing driving due to secondary tasks has found to be high.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 동기 및 목적 1
• 제2절 연구 배경 2
• 1. 운전 수행에 대한 뇌 신경학적 연구 2
• 2. 뇌 영역간 연결관계 3
• 3. 동적 인과 모델 4
• 제2장 연구 방법 6
• 제1절 실험 대상 6
• 제2절 실험 절차 6
• 제3절 데이터 측정 및 분석 8
• 1. 뇌기능 영상 획득 8
• 2. 뇌기능 영상 분석 9
• 3. 유효 연결성 분석 10
• 제3장 연구 결과 16
• 제1절 뇌 활성화 영역 16
• 제2절 유효 연결성 18
• 1. 운전만 수행 시 유효 연결성 18
• 2. 운전과 주의 분산 과제 동시 수행 시 유효 연결성 22
• 제4장 결론 26
• 제5장 요약 및 토의 30
• 참고문헌 33
• ABSTRACT 36