언어연구와 뇌 유발전위

    뇌 기능 위치에 대한 연구방법으로 사용하는 PET주사의 약점 중 하나가 공간위치를 알려 줄 해결력이 낮다라는 점이다. 즉, 신경활동 증가를 통해 그 대상과 관련된 일반 영역의 위치는 알려주지만 그 위치가 정확히 어디인지를 지적해 줄 수는 없다. 따라서 새로운 대안으로 떠오른 것이 뇌전위(EEG)와 뇌자기장(MEG) 이라는 것이다. 이와 관련된 글이 있어서 소개하고자 한다.

출처: Trends in cognitive sciences, volume 1, No. 6, pp. 203-209. September . 1997. 저자: Lee Osterhout, Judith McLaughlin and Michael Bersick.

       Event-Related Brain Potentials and Human Language

서론

언어를 만들고 이해하는 능력은 인류의 가장 독특한 특징이다. 어린 아이들부터 나이든 어른까지 거의 모든 사람들은 겉보기에는 별 어려움 없이 언어를 구사하고 이해한다. 그러나 인간 언어의 저변에 깔려있는 인지적 뉴런의 작용을 밝히기는 매우 어렵다. 그 이유로는 이 과정이 매우 빠르다는 점과 복잡하다는 점 때문이다. 인지적 반응 (conscious response)에 영향을 받지 않으면서 언어과정을 검출할 수 있는 방법론이 필요하다. 이러한 방법 중의 한 가지가 언어의 이해(comprehension)나 말을 만드는 동안 측정되는 뇌 유발전위(event-related brain potential)이다. (역자 주: PET나 unctional - MRI는 시간 분해능이 수 초 정도 이고 원리적인 한계이다. 현재(1998년 1월)로써는 뇌전위(EEG)와 뇌자기장(MEG) 만이 1 밀리초 정도로 뇌의 빠른 변화를 검출 할 수 있다.).

뇌 유발전위는 특정 정보처리를 수행하는 동안의 전기적 활동을 연속적으로 측정할 수 있다. 이 글에서는 인간의 언어와 관련된 뉴런의 반응을 뇌 유발전위에서 매우 민감하게 보여주는 최근의 연구들을 소개하고 있다. 또한 연구자들은 문법적 (syntactic) 처리와 의미적(semantic) 처리의 분리성(separability)을 연구하기 위하여 뇌 유발전위를 사용하고 있다. 본 글은 "언어 이해", "언어 구사", "언어 장애" 순으로 뇌 유발전위와 관련된 이전의 대표적인 연구 결과들을 정리하여 보고 하고 있다. 이 중에서 본 논문에서 가장 핵심적인 내용인 "음소의 인식", "문법과 의미" 와 관련된 실험결과들을 소개한다.

음소의 인식(phoneme perception)

용어설명: "음소" = 한 언어에 있어서 의미를 구별하는 기능을 하는 음성상의 최소단위.

사람은 말을 인식할 때 "범주로 분리(categorically)"하여 인식한다. 즉, 발음에서의 상호 경계에 민감하다. 뿐만 아니라 갓 태어난 아기의 경우에도 발음의 차이점에 매우 민감하다. 이와 같이 "범주분류 인식(categorical perception )"의 선천적인 성향은 언어적 경험(또는 훈련)에 의하여 증대되고 또한 변형된다. 생후 6개월 정도면 신생아는 자신의 모국어 발음에서의 카테고리의 "원형(prototypes)"을 형성한다. 이들 원형은 음성의 범주의 경계를 재조직하는 근간으로 생각하고 있다.

최근의 연구에 의하면 뇌 유발전위가 음소인식 (phoneme perception)에 있어서의 범주적이고 원형적인 양상에 영향을 받음을 보여주고 있다. 이 연구는 "mismatch negativity(MMN; 음성 불일치? - 번역하면 오히려 이해가 어려울 듯? )"를 이용하고 있다 (역자 주: 여기서 말하는 negative란 뇌 유발전위의 극성을 지칭하는 것이다. ). 뇌 유발전위가 음으로 가는 효과는 피검자에게 들려주는 청각자극의 물리적 특성의 변화에 반응하는 "전 주의 처리(pre-attentive process )"을 반영하는 것으로 생각하고 있다.

연구자들은 표준적인 말을 비정상적인 말과 함께 무작위로 피검자에게 들려주었다. 비정상적인 말의 경우에는 표준적인 말에 비하여 더 큰 MMN을 나타내었다. 또한, 비원형(nonprototype)에서의 비정상적인 말 보다는 범주의 원형에서의 비정상적인 말이 더욱 큰 MMN을 나타내었다[참고문헌 6]. 한편, 이와 같은 MMN을 발생시키는 신경세포의 위치는 좌반구의 언어 피질임이 밝혀졌다. 이러한 발견을 합리적으로 해석하자면, 음소 코드(codes)는 신경학적으로는 언어 피질에서의 감각기억(sensory memory)에 해당한다고 볼 수 있고 언어의 불일치를 검출하는 토대를 제공해 준다고 할 수 있다.

  문법과 의미(synatax and semantics)

문장에서의 차이점으로서 우리가 인식할 수 있는 것으로 문법(문장의 형식)과 의미(문장의 의미)가 있다. 정상적인 사람이라면 "John slept the bed"와 같은 문법적 오류를 가진 문장 "John spread his bread with socks"와 같이 의미적 오류를 가진 문장을 확실히 구분할 수 있다. 이런 분별력이 기저의 언어 처리에서도 서로 다른 과정에 의해서 이뤄지는 것인가가 논쟁이 되어왔다. 일부 심리언어학적인 모델에서는 문법과 의미의 차이를 식별하는 각각의 처리과정을 가정한다. 또 다른 모델에서는 이를 부정하고 있다.

뇌 유발전위는 이 문제를 조사하기 위한 효과적인 측정 수단이 될 수 있다. 인지적으로 다른 처리과정이 신경학적으로 서로 다른 뇌 부위에서 이뤄진다고 생각하면, 문법적 처리와 의미적 처리 각각의 유발전위의 패턴이 다르게 측정된다면 이는 서로 다른 처리과정에 의해 이뤄짐을 증명한 것이 될 것이다.

이 분야의 연구를 개척한 Kutas와 Hillyard는 의미상 적절하지 못한 말(앞의 예에서 'socks' 같은 경우 )은 뇌 유발전위에서 N400 성분의 진폭을 증가 시킴을 발견하였다(역자주 : 'N400' 에서 'N'은 Negative를 의미한다. 뇌전위의 극성이 음이라는 뜻이고, 400은 자극이 주어진 시점부터 400ms 후에 나타났음을 의미한다. 뇌 유발전위에서 흔히 사용되는 규약임. ). 이후의 일련의 연구에서는 N400의 진폭은 선행하는 문맥과 대상 단어간의 의미적 "적합성(congruence)"에 의존함을 밝혔다.

뇌가 문법적 오류를 처리하는 과정을 뇌 유발전위로 검출하는 연구자들의 경우에는 앞의 의미적 실험결과와는 달리 매우 다양한 효과들을 보고하고 있다. 그러나 분명한 점은 앞의 N400 효과와는 전혀 다르다는 것이다. 문법적 오류가 있는 말을 피검자에게 들려주면 뇌 유발전위에서는 소리를 들려준 후 600ms에 극성이 양으로 된 피크가 강해진다는 점이 발견되었다. 즉, " P600에서 SPS(syntactic positive shift)가 생겼다" 라고 표현한다. 결론적으로, P600의 진폭은 문장구성요소와 대상 단어간의 문법적 "적합성(congruence)"에 의존한다. 또한 중요한 실험결과로 문법과 의미가 전부 틀린 말을 들려주면 N400과 P600이 동시에 출현한다.

뇌 유발전위에 있어서 문법적 오류와 의미적 오류가 서로 다르게 반응함이 측정된 점은 문법처리와 의미처리과정이 서로 다르다는 주장과 잘 일치하고 있다. 한편, Neville과 그의 동료들은 다른 증명 방법을 통해 이를 증명하고 있다. 이들 연구자들은 관사나 전치사와 같은 기능적 단어(function words)와 명사나 동사 같은 내용단어(contents words)의 차이점을 뇌유발전위로 조사하였다. 영어에 있어서는 기능어와 내용어의 차이는 문법과 의미의 차이에 대응될 수 있다.

결론

뇌 유발전위는 인간의 언어 저변의 뉴런의 활동 상황을 설명 가능할 정도로 민감하다. 또한, 언어의 구사와 이해를 실시간으로 조사할 수 있을 정도로 빠르다. 언어에 의해 발생한 N400과 같은 뇌 유발전위를 이용하여 해당 뉴런의 위치를 찾는 발전적인 연구도 진행되었다. 하지만 아직도 뇌 유발전위로 밝혀야 할 많은 언어현상이 남아 있다. 뇌 유발전위란 자극에 동기화 되어 있는 신호 만을 평균하여 검출한 것이기 때문에 실제 측정된 것에는 자극에 동기화 되어 있지 않은 뇌의 인지적 처리과정은 검출할 수 없다.

실제 우리는 측정되는 '언어성 뇌 유발전위'와 '인지적 작용' 사이에 대해서는 거의 모르고 있다. 즉, 측정량이 실제 언어 처리과정을 직접적으로 보여주고 있는 것인지 혹은 단지 언어 처리와 관련된 다른 영역에서 발생한 신호를 보여주는 것인지를 모르고 있다. 언어 기저의 처리과정에 대해서 앞으로 많이 연구되어야 할 것이고, 뇌 유발전위는 인간의 언어 연구에 있어서 인지적 모델과 생물학적인 기저간의 연관성을 보여줌에 있어서 계속 유용한 도구로써 사용될 것이다.