인식에 대한 감정의 혼란 효과의 두뇌 이미징 조사

본 실험 프로토콜의 전체적인 목표는 작업 기억 과정에 초점을 맞추어, 정서가 인지에 미치는 부정적인 영향의 신경학적 상관관계를 조사하는 것입니다. 이는 기본적인 작업 기억 과제를 생성한 후, 기억 대상(memoranda)과 탐색 자극(probes) 사이의 지연 간격 동안 정서적 방해 자극을 제시하며 참가자가 작업 기억 과제를 수행하는 동안 fMRI를 사용하여 뇌 활동을 기록함으로써 달성됩니다. 방해 자극은 조사 목표와 대상 집단에 따라 선정됩니다. 예를 들어, 특정 정서를 대상으로 하지 않는 경우, 긍정적이거나 부정적인 일반적 정서 반응을 유도하는 정서적 자극을 사용할 수 있습니다.

반면 공포와 같은 특정 감정의 효과를 목표로 하는 경우에는, 건강한 참가자 또는 임상 참가자 모두에게 공포를 유발하는 방해 자극을 사용할 수 있습니다. 다음으로, 참가자가 방해 자극이 있는 상태에서 작업 기억 과제를 수행하는 동안 수집된 행동 및 뇌 영상 데이터를 분석하여, 정서적 방해가 작업 기억 성능에 미치는 차별적 영향과 그와 관련된 신경 상관관계를 식별합니다. 그 결과, 정서적 방해가 작업 기억 성능에 미치는 부정적 영향과 관련된 뇌 활동 패턴뿐만 아니라, 정서적 방해에 대처하는 능력과 관련된 뇌 활동 결과가 얻어집니다. 전형적인 표적 뇌 영역에는 집중력을 유지하는 능력과 관련된 영역으로, 여기에서 파란색으로 표시된 소위 등측 실행 신경계(dorsal executive neural system)의 일부인 영역들과, 감정 처리와 관련된 영역으로 빨간색으로 표시된 복측 정동 시스템(ventral effective system)의 일부인 영역들이 포함됩니다.

이 기술의 함의는 정서적 분산에 대한 역기능적 반응과 관련된 변화를 식별할 수 있게 해주므로, 외상 후 스트레스 장애와 같은 불안 장애의 이해 및 잠재적 진단으로 확장됩니다. 기존의 방법, 즉 목표 관련 정보와 과제 무관한 정서적 분산을 동시에 제시하는 방식과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 정서적 분산에 대한 신경 상관물과 진행 중인 인지 과정과 관련된 신경 상관물을 더 효과적으로 분리할 수 있다는 점입니다. 또한, 이 패러다임은 인지적 간섭의 신경 상관물뿐만 아니라 정서적 분산에 대처하는 신경 반응까지 조사할 수 있게 해줍니다.

이 프로토콜의 기본 과제는 지연 반응 작업 기억 과제로, 기억 대상(memoranda)과 탐색 자극(probes) 사이의 지연 간격 동안 새로운 정서적 및 비정서적 자극이 과제와 무관한 방해 자극으로 제시됩니다. 실제 방해 자극과 공간 주파수 및 휘도와 같은 기본 특성이 동일한 스크램블 버전의 자극을 지각 대조군으로 사용할 수 있습니다. 또는, 방해 자극이 없는 시행을 기본 대조군으로 사용할 수도 있습니다.

정서적 방해 자극과 비정서적 방해 자극은 서로 다른 시행에서 사용해야 한다는 점에 유의하십시오. 또한, 효과를 높이기 위해 유사한 정서적 및 의미적 특성을 가진 방해 자극들을 짝지어 사용하는 것이 권장됩니다. 방금 살펴본 원래 설계의 정서적 및 중립적 방해 자극은 국제 정서 사진 체계(International Affective Picture System)에서 선택할 수 있으며, 방해 자극으로서 효과적인 다른 새로운 자극을 사용하여 유사한 효과를 얻을 수도 있습니다.

예를 들어, 분노 표정이 드러난 얼굴은 사회 불안과 같은 특정한 정서적 반응을 유도할 수 있으며, 따라서 일시적인 불안 유발 방해 자극이 작업 기억에 미치는 영향을 조사하는 데 효과적일 수 있습니다. 마찬가지로, 외상 후 스트레스 장애 환자와 같은 임상 참여자의 경우, 트라우마 관련 자극을 제시함으로써 방해 자극의 특이성을 높일 수 있습니다. 예를 들어, PTSD를 앓고 있는 참전 용사에게 전투 관련 사진을 사용하는 방식이 있습니다.

영향력을 높이기 위해 불안을 유발하는 얼굴 자극을 사용하는 경우, 얼굴을 정지 이미지로 제시하기보다 여기에서 보는 것처럼 모핑(morphing)하는 것을 권장합니다. 선택한 자극 제시 소프트웨어를 사용하여, 작업 기억 과제에서 세 개의 얼굴이 제시되고 이어서 새로운 방해 자극이 나타나는 사건 관련 설계(event related design)로 이 과제를 설정하십시오. 참가자에게는 방해 자극을 처리하는 동안에도 메란(meran)에 계속 집중하도록 지시하고, 단일 얼굴 프로브에 대해 응답 버튼을 눌러 신속하고 정확하게 응답하도록 해야 합니다. 이때 버튼 하나는 '이전 것' 또는 '기억함'을, 다른 하나는 '새로운 것'을 나타냅니다. 또한, 응답에 대한 참가자의 신뢰도를 평가하는 등 행동적 차이를 탐지하여 작업 기억 과제의 민감도를 높이는 추가적인 조작을 구현할 수 있습니다.

설명을 돕기 위해 본 예시에서는 작업의 실제 타이밍을 적용하지 않았음에 유의하십시오. 마지막으로, 기억 대상에 색상이나 추가적인 얼굴 특징의 유무를 조절하거나, 피험자가 도착했을 때 제시되는 얼굴들의 유사도를 조절함으로써 작업 기억 과제의 난이도를 변경할 수 있습니다. 반드시 서면으로 된 고지된 동의를 얻고 MRI 안전성 스크리닝을 실시하십시오.

또한 현재의 정서 상태뿐만 아니라 불안 및 정서적 반응성과 같은 성격 특성을 평가하십시오. 현재의 정서 상태를 평가하기 위한 몇 가지 설문지를 작성해 주시기 바랍니다. 네, 스캔 전 약 10분 정도 소요될 것입니다.

참가자에게 스캔 절차에 대해 상세히 안내하고, 불편함을 방지하고 과제에 대한 친숙도를 높이기 위해 행동 과제에 대한 구체적인 지침을 제공하십시오. 또한, 참가자에게 짧은 연습 과정을 실시하십시오. 이제 피험자를 스캔실로 안내하여 스캔 베드 위에 똑바로 누우라고 지시하십시오.

스캔 중에 사용할 귀 보호구와 통신용 격리 헤드폰을 제공하십시오. 스캔 중 편안함을 보장하고 움직임을 최소화하기 위해 머리 주변에 추가 쿠션을 배치하십시오. 또한, 테이프의 비접착면을 피험자의 이마에 가볍게 감을 수 있습니다. 머리 움직임을 더욱 최소화하기 위해, 피험자의 오른손을 응답 박스 위에 편안하게 위치시키고 응답 버튼이 제대로 작동하는지 확인하십시오.

피험자가 스캐너 작동을 즉시 중단해야 하는 긴급 상황을 알릴 수 있도록 비상 정지 버튼을 가까이 배치하고, 마지막으로 피험자를 스캐너 내부로 보내기 전에 자극 제시용 화면 투영이 명확하게 보이는지 확인하십시오. 이제 SPGR 또는 MP rage와 같은 고해상도 T1 강조 구조 영상을 획득합니다. 다음으로, 뇌 전체 영역이 포함되도록 기능적 런(functional runs)을 설정하십시오.

4 Tesla 스캐너를 사용한 초기 연구에서, 당사는 2000 milliseconds의 TR, 31 milliseconds의 TE, 256 by 256 millimeters의 시야(field of view) 파라미터를 갖는 역스파이럴 펄스 시퀀스를 사용하여 4 by 4 by 4 millimeter 복셀 크기로 30개의 기능적 슬라이스 축상 시리즈를 획득하였습니다. 최근에는 1.5 Tesla 스캐너에 맞게 패러다임을 조정하였으며, 이때 사용된 파라미터는 Echo Plano 시퀀스를 사용하여 축상으로 획득한 4 by 4 by 4 millimeter 복셀 크기의 28개 기능적 슬라이스, 2000 milliseconds의 TR, 40 milliseconds의 TE, 256 by 256 millimeters의 시야입니다. 피험자에게 기능적 영상 촬영이 곧 시작됨을 알리고 수행해야 할 과제를 상기시키십시오. 패러다임과 동기화하여 스캐너를 가동하십시오. 스캔이 완료되면 피험자가 스캐너에서 나오는 것을 돕고, 방해 자극의 정서적 강도와 주관적으로 인지된 방해 정도를 평가함으로써 방해 자극에 대한 참여자의 민감도를 결정하기 위한 행동 평가를 실시하십시오. 이러한 평가의 개인차는 정서가 인지에 미치는 해로운 영향을 매개하는 신경 기전에 미치는 영향을 조사하거나, 정서적 방해에 대처하는 데 관여하는 뇌 영역을 식별하는 데 사용될 수 있습니다.

마지막으로, 실험에 참여해 준 피험자에게 감사를 표하십시오. 수집된 데이터는 SPM(statistical parametric mapping)으로 흔히 알려진 통계적 파라메트릭 매핑과 같은 모든 fMRI 처리 소프트웨어 패키지를 사용하여 분석할 수 있습니다. 본 연구실에서는 이를 자체 제작한 MATLAB 기반 도구와 결합하여 사용합니다.

전처리는 일반적인 단계인 품질 보증, 이미지 정렬, 움직임 보정, 공동 등록, 정규화, 그리고 8 mm 커널을 이용한 공간 평활화를 포함합니다. SPM을 사용할 때는 일반 선형 모델을 구현하여 관심 있는 각 조건에서 기록된 데이터가 미리 결정된 혈역학적 응답 함수에 얼마나 부합하는지 평가합니다. 또는, 혈역학적 응답 함수의 형태에 대한 사전 가정 없이 각 조건과 관련된 가공되지 않은 fMRI 신호를 확인하기 위해 각 조건의 데이터를 선택적으로 평균화할 수 있습니다.

이후 관심 대조군(Contrasts of interest)을 통해 자극 전, 기저선(baseline) 대비 변화 및 한 조건과 다른 조건 간의 차이를 확인합니다. 이러한 실험 프로토콜에서는 시점별 FMR 신호의 변화를 개인 및 그룹 수준에서 평가할 수 있는 분석 도구를 사용할 것을 권장합니다. 통계 분석에는 방해 자극 유형에 따른 뇌 활동의 비교가 포함됩니다. 또한, 뇌 영상 데이터와 주의 산만함의 주관적 또는 객관적 척도 및 지표 점수 간의 상관관계를 분석합니다.

성격 측정 또한 뇌 활동이 이러한 측정치의 개인차와 어떻게 공변하는지 조사하기 위해 수행될 수 있습니다. 여기서는 뇌 활동과 주의 산만함에 대한 주관적 평가 사이의 피험자 간 상관관계를 이용하여 뇌-행동 관계를 식별하는 기본 절차를 설명합니다. 먼저, 각 피험자에 대해 주의 산만함의 개인별 점수를 계산합니다.

둘째로, 뇌 활동 변화와의 상관관계는 복셀 단위로 계산하거나, 특정 관심 영역(ROI)에서 추출한 fMRI 신호를 사용하여 계산합니다. 셋째로, 이러한 상관관계의 산점도를 그립니다. 본 프로토콜을 사용한 모든 연구의 분석에서는 일반적으로 방해 자극이 제시되는 지연 간격 동안 관찰된 fMRI 신호의 변화를 평가했지만, 프로브와 같은 다른 이벤트에 시간적으로 고정된 활동 또한 조사할 수 있습니다. 여기서는 International Affective Picture System에서 선택한 정서적 및 중립적 방해 자극을 사용한 초기 연구의 주요 결과를 설명합니다.

중앙 패널은 가장 주의를 산만하게 하는 조건과 가장 덜 산만하게 하는 조건 간의 직접 대조 활성화 맵을 우반구의 외측 뷰로 표시된 고해상도 뇌 영상 위에 중첩하여 보여줍니다. 분석의 초점은 방해 자극이 제시된 지연 간격 동안 기록된 활동에 맞춰져 있습니다. 등측 실행 신경계(dorsal executive neural system)의 활동은 파란색으로, 복측 정동 체계(ventral effective system)의 활동은 빨간색으로 표시됩니다.

뇌 이미지 하단의 색상 가로 막대는 활성화 맵의 T 값 기울기를 나타냅니다. 측면 패널은 방해 자극이 있는 작업 기억 과제 수행 중 뇌 활동 변화의 시간 경과를 보여주며, 상단 패널은 등외측 전전두엽 피질 및 외측 두정엽 피질과 같은 등측 실행 영역의 활동을, 하단 패널은 복측 외측 전전두엽 피질과 같은 복측 정동 체계 영역 또는 방추상회와 같이 정동 조절에 민감한 영역의 활동을 보여줍니다. 파란색 시간 경과는 무의미한 스크램블 방해 자극을, 빨간색 시간 경과는 정서적 방해 자극을, 노란색 시간 경과는 무의미한 방해 자극이 존재하는 상황에서의 중립적 방해 자극을 나타냅니다.

등측 실행 시스템(dorsal executive system)의 영역에서 지속적인 활동이 관찰되었습니다. 정서적 방해 요소의 존재는 복측 정동 시스템(ventral effect system) 영역의 활동을 증가시킨 반면, 등측 시스템의 활동은 감소시켜 작업 기억 성능을 저하시켰으며 이는 행동적 영향과 일치했습니다. 중립적 방해 요소의 존재는 두 시스템 모두에서 중간 수준의 활동을 유발했습니다. 이러한 등측-복측 해리는 체계적으로 재현되었으며, 정서적 방해 요소에 특이적인 것임이 입증되었습니다.

이 실험 패러다임은 정서적 방해 요소에 대처하는 것과 관련된 뇌 영역을 식별하는 것도 가능하게 합니다. 예를 들어, 정서적 방해 요소의 존재에 민감한 뇌 영역의 활동에 대한 상관관계 분석 결과, 중립적 방해 요소가 아닌 정서적 방해 요소에 대해서만 정서적 산만도 지표와 부적 상관관계를 보이는 복측 외측 전전두엽 피질(ventral lateral prefrontal cortex) 영역이 확인되었습니다. 구체적으로, 이 영역에서 더 높은 활동을 보인 참가자들은 정서적 방해 요소를 덜 방해되는 것으로 인식하고 평가했습니다.

이러한 결과는 주의를 분산시키는 감정에 대처하는 데 있어 이 영역의 역할에 대한 증거를 제공합니다. 이 패러다임이 개발된 이후, 정서 및 인지 상호작용 분야의 연구자들은 건강한 집단과 임상 집단 모두에서 정서적 방해에 반응하고 이에 대처하는 신경 상관관계를 연구할 수 있는 길이 열렸습니다. 이 영상을 시청하고 나면, 정서적 방해로 인한 인지적 간섭의 신경 상관관계를 조사하기 위해 이 프로토콜을 사용하는 방법과 이를 자신의 실험적 필요에 맞게 조정하는 방법을 충분히 이해하게 될 것입니다.