작업기억용량 및 신호대잡음비에 따른 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 노년층의 ERP 성분 비교

ERP Evidence of Working Memory Capacity and Signal-to-Noise Ratio Effects on Sentence Plausibility Tasks in Elderly Adults

Article information

Commun Sci Disord Vol. 27, No. 1, 140-157, March, 2022
Publication date (electronic) : 2022 March 31
doi : https://doi.org/10.12963/csd.21795
aDepartment of Communication Disorders, Ewha Womans University, Seoul, Korea
bDepartment of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery, Seoul National University Hospital, Seoul National University College of Medicine, Seoul, Korea
cDepartment of Audiology and Speech-Language Pathology, Hallym University of Graduate Studies, Seoul, South Korea
송세영a, 오승하b, 경정숙c, 성지은,a
a이화여자대학교 대학원 언어병리학과
b서울대학교 의과대학 이비인후과
c한림국제대학원대학교 청각언어치료학과
Correspondence: Jee Eun Sung, PhD Department of Communication Disorders, Ewha Womans University, 52 Ewhayeodae-gil, Seodaemun-gu, Seoul 03760, Korea Tel: +82-2-3277-2208 Fax: +82-2-3277-2122 E-mail: jeesung@ewha.ac.kr

This research was supported by the National Research Council of Science & Technology (NST) grant by the Korea government (MSIT) (No. CAP21051-000).

Received 2021 January 5; Revised 2021 July 20; Accepted 2021 August 5.

Abstract

배경 및 목적

본 연구는 신호대잡음비(SNR)에 따라 작업기억용량 그룹 간 사건관련전위(ERP)의 평균 진폭을 비교하여 노년층의 청각 처리에서 SNR 및 작업기억용량이 미치는 영향을 살펴보고자 한다.

방법

정상 청력을 가진 26명의 노년층 대상자를 작업기억 검사에 따라 ‘작업기억 높음’ 그룹(N=13)과 ‘작업기억 낮음’ 그룹(N=13)으로 집단을 나누었다. 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 오프라인 방식으로 정반응률과 반응시간을 측정하였으며, 온라인 방식으로 뇌전도를 측정하였다. 실험 자극은 의미적으로 ‘타당함-타당하지 않음’ 문장 쌍이 사용되었으며, 서술어 부분에 -5, 0, 5 dB SNR의 백색 소음이 추가되었다.

결과

행동 분석에서는 SNR 간의 차이가 유의하였다. -5 dB SNR의 소음 조건이 가장 청취 노력이 컸으며 청각 처리에 유의미하게 관여하는 변인이 소음임을 나타낸다. ERP 분석에서 ‘작업기억 높음’ 집단의 평균 진폭 크기가 ‘작업기억 낮음’ 집단에 비하여 유의하게 컸으며, 평균 파형 그래프와 상호작용 그래프에서도 집단 간 N400 성분의 뚜렷한 차이가 확인된다.

논의 및 결론

작업기억용량 그룹 간 차이는 청취 노력이 많이 들어가는 SNR 조건일수록 더 명료하게 나타났다. 언어 처리 과정에 소음이 개입하였을 때, ‘작업기억 높음’ 집단은 의미적 오류의 인지를 반영하는 N400 성분이 크게 나타났다. 반면, ‘작업기억 낮음’ 집단은 실시간으로 의미적 오류의 인지를 감지하는 정도가 작업기억용량이 높은 집단에 비해 약한 것으로 해석된다.

Trans Abstract

Objectives

The purpose of this study is to evaluate the effect of Signal to Noise Ratio (SNR) and working memory capacity on the auditory processing of the elderly by comparing the average amplitude of event-related potentials (ERP) between groups in the sentence plausibility judgment task under the control of SNR.

Methods

A total of 26 elderly people participated in this study, and based on the results of the working memory test, were divided into high a working memory (high WM) group (N= 13) and a low working memory (low WM) group (N= 13). The sentence stimuli consisted of plausible and implausible sentences. Implausible sentences were manipulated to cause a semantic violation in the verb. A white noise was added to the portion of the predicate to be –5 dB, 0 dB, and 5 dB SNR in the recorded sentence.

Results

In the behavioral analysis, differences between the SNRs were significant. –5 dB SNR conditions revealed inactive performance, confirming that noise is a variable that increases cognitive load and difficulty in auditory processing. In the ERP analysis, the mean amplitude of the high WM group was significantly greater than the low WM group, and a distinct difference in N400 components between the groups was also observed in the grand average waveform graph.

Conclusion

Intergroup differences were more evident in the conditions of SNR, which requires more listening effort. However, this may show that the low WM group had an inferior ability to detect the cognition of semantic implausibility in real time compared to the high WM group.

65세 이상의 노인 인구 중 약 33%가 청력 장애(hearing loss)를 가지고 있을 정도로 청각적 정보처리(auditory processing)의 결손은 노년층에게 흔하게 보이는 문제이다(Glorig & Roberts, 1965). 청각 처리 능력의 저하는 단순히 청력 역치의 증가로 인한 음향학적-음소 정보 손실에 기인하지 않으며, 인지 기능이 복합적으로 관여한 결과이다(Dupuis et al., 2015; Lin et al., 2013). 청각 처리 능력의 감퇴와 인지 기능 저하의 관련성을 설명하려는 연구는 Schneider와 Pichora-Fuller (2000)의 정보 저하 가설(information degradation hypothesis), Lindenberger와 Baltes (1994)의 감각 박탈 가설(sensory deprivation hypothesis), Baltes와 Lindenberger (1997)의 공통 원인 가설(common-cause hypothesis)과 같이 꾸준히 시도되어 왔다.

청자는 청각 정보의 이해를 달성하기 위해, 청각 자극의 음향학적-음소 정보를 받아들이는 상향식 처리와 선행 지식, 의미적 문맥(semantic context), 스키마(schema)를 활용하는 하향식 처리를 모두 사용한다(Edwards, 2007; Lee, Lee, Song, & Kim, 2014; Pichora-Fuller, 2007; Rossi-Katz & Arehart, 2009). 노년층의 경우, 특정 주파수 영역에서의 역치 증가로 인해 음향학적-음소 정보가 손실되어 상향식 처리에 어려움을 겪게 된다(Brant & Fozard, 1990; Harris, 2013). 일상생활 속 의사소통에서는 소음 속 청각 처리가 이루어지는데, 소음은 음향학적-음소 정보의 소실을 가중시켜 상향식 처리에 어려움을 가져오게 되어, 하향식 처리를 함께 사용해 청각적 정보를 처리한다(Harris, 2013). 이처럼 소음 속 청각 처리에서 하향식 처리의 비중이 높아지게 되면 처리 기능과 저장 기능이 함께 사용되는 작업기억용량의 역량이 크게 작용한다(Rönnberg, Rudner, Lunner, & Zekveld, 2010). 소음이 있는 상황에서 상대방의 말소리를 지각하기 위해서는 이미 입력된 정보를 기억함과 동시에 소음으로 인해 손실된 정보를 추론해야 한다는 측면에서 작업기억용량의 관여도가 크기 때문이다(Lee & Kim, 2016). 청각적 정보의 손실이 일어나는 소음 속 듣기 상황에서 노년층은 청년층과 비슷한 청력 역치를 가지고 있더라도 인지 기능의 저하로 인해 선행 지식, 의미적 문맥, 스키마(schema)를 활용하는 하향식 처리가 효율적으로 사용되지 않는다(Pichora-Fuller, 2007; Pichora-Fuller, Schneider, & Daneman, 1995).

이는 청취 노력(listening effort)의 개념으로도 설명된다. 청취 노력이란, 소음 속 말소리 지각에 관여하는 인지 자원의 하나로(Feuerstein, 1992; Gatehouse & Gordon, 1990), 상대적으로 부족한 청각 인식-처리 과정을 보완하기 위해 상호작용하는 인지 능력을 뜻한다. 즉, 청자가 말을 인식하고 처리하여 이해하는 과정에서 사용되는 노력으로 정의된다(Lee, 2013). 청각 정보의 지각 단계에 서부터 인지 기능을 사용하여 청자의 인지 부담이 증가하면 청취하기 위한 노력이 증가한 것으로 판단한다(Lee, 2013; Picou, Ricketts, & Hornsby, 2011). 청취 노력의 개념에는 많은 상위 인지 기능 중 작업기억용량(working memory capacity)이 중요하게 작용한다. 작업기억용량이 클수록 지각을 넘어 다른 인지 처리의 수행을 가능케 하는 용량이 비축된다는 연구가 청취 노력과 작업기억용량 사이의 상관 관계를 설명한다(Lee, 2018; Pichora‐Fuller et al., 1995; Rönnberg et al., 2010).

작업기억용량에 대한 관점은 다음과 같이 양분화되어 설명된다. Just와 Carpenter (1992)는 단일 작업기억용량 이론(single working memory capacity theory)을 통해 작업기억은 저장과 처리의 영역의 미분화된 일원화로 가한다. 작업기억의 용량은 사람마다 개인차가 있으며, 한정된 자원이 있는 공간이라고 보았다. 따라서 개인의 작업기억용량을 넘어서는 인지 부담을 받는다면 작업기억용량을 과도하게 할당하여 다른 과제를 수행할 자원이 부족하게 된다고 하였다. 반면 작업기억용량에 대해 다른 관점을 제시하는 Caplan과 Waters (1999)는 개별 자원 모델(separated resource model)을 주장하였다. 작업기억은 분화되어 존재하며 언어 처리 과정에서 작업기억이 개별적으로 관여한다고 보았다. 따라서 언어 처리 과정에서 저장과 처리에 사용되는 작업기억과 작업기억 과제를 통해 측정되는 작업기억은 구분되어야 한다고 하였다. 더불어 작업기억은 노화로 말미암아 저하하며(Bopp & Verhaeghen, 2005), 작업기억용량(working memory capacity) 또한 노화에 따라 축소된다고 보았다(Daneman & Merikle, 1996; Hultsch, Hertzog & Dixon, 1990).

한국어에서 노년층의 청각 처리 연구에 대한 선행연구를 검토해보면, 청각 자극의 조건을 달리하여 정반응률 및 반응시간을 분석하는 행동 분석 중심으로 진행되고 있다. 먼저, 청각 자극의 세기에 따른 노인의 인지 반응시간을 분석하거나(Kim, Chang, & Hong, 2007), 청각 자극에 소음을 추가하여 청각 자극 제시 유형에 따른 반응시간과 어음인지도를 보는 연구(Lee, Shim, Yoon, & Lee, 2009)가 진행되었다. Jung (2015)은 청각 자극에 음운의 유사성 및 듣기 조건을 추가하여 작업기억용량과의 상관관계를 연구하였다.

Lee와 Kim (2016)은 소음 상황에서의 노년층의 말 지각 능력과 관련 있는 인지적 변인을 파악하기 위한 연구를 진행하였다. 이를 통해 노년층의 말소리 지각이 특히 저하되는 소음 수준과 소음 속 말소리 지각에 언어적 단기기억과 작업기억이 관여함을 밝혔다.

이처럼 선행연구의 흐름은 행동 분석에 국한되어 주류를 이루는데, 행동 반응은 언어의 인지적 처리의 결과물임을 상기했을 때 실시간으로 처리되는 언어의 청각적 이해 과정을 살펴볼 수 없다는 한계를 지닌다. 언어 이해를 위한 뇌의 처리 과정에서 기저를 이루는 메커니즘을 이해하려면 언어가 처리된 이후의 행동 반응과 실시간 처리 과정을 함께 분석하는 연구가 필요하다. 특히 노년층은 노화로 인해 인지 기능이 저하되고 청력 역치가 증가해 소음 속에서 이루어지는 일상생활 속 의사소통에서 어려움을 겪는 집단으로서, 작업기억용량에 따라 소음 속 청각 처리가 어떻게 언어적 이해의 어려움을 유발하는지 살펴볼 필요가 있다. 사건관련전위(Event-Related Potential, ERP)는 특정 자극이 주어졌을 때, 자극에 반응하여 일정 시간 동안 발견되는 뇌의 전기적 활동을 말한다(Osterhout & Holcomb, 1995). 또한 시간해상도가 높아 언어 처리 및 인지 반응이 실시간으로 기록되므로(Osterhout, Bersick & McLaughlin, 1997) 작업기억용량에 따른 차이를 실시간으로 살펴볼 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 ERP 성분 중에서 문장 이해 과정에서 일반적으로 의미적 오류(semantic violations)를 처리할 때 300-500 ms 구간에서 관찰되는 부적(negative) 방향의 전위를 의미하는(Kutas & Hillyard, 1980; Luck, 2014) N400을 통해 ERP 분석과 행동 분석을 아울러 언어의 이해에서 이루어지는 처리 과정의 메커니즘을 보다 자세히 살펴보고 자한다.

국외에서 청각 처리 능력에 대한 ERP 연구 중, 차폐 소음이 청각 처리에 미치는 영향을 조사한 연구는 거의 없는 실정이며(Jamison et al., 2016), 다음과 같은 몇몇 선행연구들에 한하여 진행되었다. Connolly, Phillips, Stewart와 Brake (1992)는 소음으로 인한 차폐(masking)가 문맥적 제약 조건(contextual constraint)을 가진 구어 자극에 미치는 영향을 N200과 N400 성분을 통해 분석하였다. N200과 N400의 진폭(Amplitude)은 모두 높은 문맥 조건보다 낮은 문맥 조건에서 크게 나타났으며, 소음이 있는 조건에서 N400 성분의 지연시간(latency)이 유의한 것으로 나타났다. Daltrozzo, Wioland와 Kotchoubey (2012)는 소음의 정도가 구어 자극의 문맥적 적절성을 판단할 때 미치는 영향을 N400 성분을 통해서 분석했다. 분홍색 잡음(pink noise)을 사용하여 청각적 인식 저하(degradation) 정도를 네 가지 수준으로 세분화하였고, 문맥적으로 적절하거나 적절하지 않은 구어 자극의 판단 과제에서 N400 성분을 측정했다. N400 성분은 가벼운 저하(mild degradation) 조건에서 N400 성분이 지연되었다. 강한 저하(strong degradation) 조건에서는 행동 반응(behavioral data)이 반사적이었기 때문에 ERP 효과가 남아있지 않았다.

소음은 유형에 따라 어음인지력에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 백색 소음보다 다화자 잡음일 때 어음의 차폐 효과가 더 큰 것으로 보고되고 있는데(Simpson & Cooke, 2005), 다화자 잡음은 어음 정보에 의미가 부가되어 목표로 하는 음향학적-음소 정보에 대한 간섭 효과가 더 크기 때문이다(Lee et al., 2009). Romei, Wambacq, Besing, Koehnke와 Jerger (2011)는 다화자 잡음을 차폐 소음으로 사용하여 ERP 연구를 진행하였다. 다화자 잡음(multi-talker babble)이 구어 의미 점화 패러다임(priming paradigm)에서 ERP에 미치는 영향을 평가하기 위해 N400 성분을 분석했다. 정상 청력을 가진 12명의 청년층에게 세 개의 단어를 다화자 잡음과 함께 들려주고 마지막 단어가 각각 첫 번째 단어, 두 번째 단어와 관련이 있는지 여부를 평가하게 했다. 다화자 잡음 조건은 후두 영역의 N400 효과에서 유의하지 않았지만 전두 및 중심선 영역에서 N400 성분이 크게 관찰되어 청각 처리에서 구어 의미 점화 패러다임을 반영하는 인지 반응이 확인되었다. 해당 연구는 청각 정보의 손실이 일어나는 청취 환경(degraded listening environment)에서의 청각 처리에 대한 ERP 분석 시, 전두 및 중심선 영역에서 N400 성분의 활성화를 증명한다. 이는, 청각처리에 대한 N400 성분이 청각적 작업기억용량, 주의 집중력, 의미적 처리와 관련된 인지 신경 기제와의 연관성을 가지고 있음을 시사한다.

Hagoort와 Brown (2000)은 의미론적 위반을 포함한 구어 문장 자극과 문어 문장 자극의 언어 처리 과정에서 활성화되는 ERP 성분을 비교하였다. 청각 처리를 위해 제시된 구어 문장 자극과 시각 처리를 위해 제시된 문어 문장 자극은 문장의 중간 또는 마지막 위치에서 의미론적 위반이 일어나게 설정되었다. 청각 처리 과정에서 나타나는 의미론적 위반에 대한 N400 효과와 읽기 시의 문장 판단에서 나타난 의미론적 위반의 N400 효과는 유사했다. 또한 청각 처리에서의 N400 효과에 초기 부적(earlier negativity) 효과인 N250이 선행함을 발견되었다.

이와 같이 청각 처리 능력을 ERP로 살펴본 국외의 연구는 있었으나 한국어에서 소음을 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR)로 조건화하여 소음과 작업기억용량이 노년층의 청각 처리 능력 및 언어 이해에 미치는 영향을 살펴본 ERP 연구는 없었다. 이에 본 연구에서는 한국어가 모국어인 노년층을 대상으로 문장의 의미적 타당성 판단 과제를 실시하여 N400 성분을 살펴봄으로써 작업기억용량 및 SNR이 문장 이해에 미치는 영향을 밝히고자 하였다.

본 연구의 연구 질문은 다음과 같다.

첫째, 신호대잡음비(-5 dB, 0 dB, 5 dB)에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 고 · 저 집단 간 정반응률에서 유의한 차이가 있는가?

둘째, 신호대잡음비(-5 dB, 0 dB, 5 dB)에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 집단 간 반응시간에서 유의한 차이가 있는가?

셋째, 신호대잡음비(-5 dB, 0 dB, 5 dB)에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 문장의 의미적 타당성 판단 후 300-500 ms (N400) 구간에서 집단 간 ERP 평균 진폭(mean amplitude)에서 유의한 차이가 있는가?

연구방법

연구대상 선정 기준

본 연구에는 서울 및 서울 근교 지역에 거주하는 노년층(만 60-74세) 31명이 참여하였다. 노년층의 연령은 고령자 고용촉진법에 따른 55세 이상과 노인복지법에 따른 65세 이상을 절충하여 60세 이상을 기준으로 하였다. 모든 연구 대상자는 사전에 연구의 목적과 절차에 대한 설명을 듣고 충분히 이해한 뒤 서면으로 연구 참여에 동의하였다. 본 연구의 모든 절차와 방법은 연구윤리위원회의 승인(202003-0005-03)을 받아 진행하였다.

연구 대상자의 구체적인 선정 기준은 다음과 같다. (1) 한국어를 모국어로 사용하며, (2) 폐소공포증이 없으며, (3) 자가 보고를 통해 일상생활 능력을 유지하면서 독립적으로 생활할 수 있으며, (4) 자가 보고 및 선별검사 과정을 통해 과제를 수행하는 데 필요한 시각 능력에 문제가 없음을 확인하였다. (5) 건강선별기준(Christensen, Multhaup, Nordstrom, & Voss, 1991)에 근거하여 인지 및 언어 발달의 문제와 신경학적 손상이 없고 정신적인 병력 및 발달적인 병력이 보고되지 않았으며, (6) 한국판 간이정신상태검사(KoreanMini Mental State Examination, K-MMSE; Kang, 2006) 점수가 연령 및 교육년수에 근거해 16%ile 이상으로 정상 범위에 해당하며 (Kang, 2006), (7) 언어기억검사(Seoul Verbal Learning Test, SVLT; Kang, Jahang, & Na, 2012)를 실시하여, 결과가 연령 및 교육년수에 근거해 16%ile 이상이며, (8) 노인 우울척도 단축형(Short foam of Geriatric Depression Scale, Korean version, SGDS-K; Cho et al., 1999) 검사 결과 8점 이하로 우울증이 없는 자를 선정하였다.

연구 대상자의 청력과 관련하여 Humes (2020)의 연령별 청력 기준을 적용하였다. (1) 60대의 경우, 순음청력검사 결과 순음청력역치가 250, 500, 1,000, 2,000, 4,000 Hz에서 20 dB 이하, 8,000 Hz에서 30 dB 이하이며, (2) 70대인 경우, 순음청력검사 결과 순음청력역치가 250, 500, 1,000, 2,000 Hz에서 20 dB 이하, 4,000 Hz에서 30 dB 이하, 8,000 Hz에서 30 dB 이하인 자로 선별하였다. (3) 한국어 음청력검사(Korean Speech Audiometry, KSA)의 한국 표준 단음절어표 중 일반용(Korean Standard Monosyllabic Word List for Adults, KS-MWL-A; Lee et al., 2010)을 활용하여 쾌적 역치(Most Comfortable Listening, MCL)에서 어음청력검사 결과가 90% 이상의 어음 인지도를 가진 자(Joo & Jang, 2009)를 선정하였다.

작업기억용량(고, 저)에 따른 분류

작업기억용량에 따라 고 · 저 집단으로 분류하기 위해 다음과 같은 작업기억 검사를 실시하였다. (1) 한국 심리 웩슬러 지능 기억검사(Korean Wechsler Adult Intelligence, K-WAIS; Yeom, Park, Oh, Kim, & Lee, 1992)의 숫자 바로 말하기, (2) 숫자 거꾸로 말하기, (3) Sung (2010)의 단어 바로 말하기, (4) 단어 거꾸로 말하기 검사를 적용하였다. 각 과제에서 사용된 숫자 또는 단어는 마이크로소프트 파워포인트 2016 (Microsoft PowerPoint 2016)으로 1초에 1개의 자극이 자동으로 재생되도록 하였으며, 각 자극은 맑은 고딕체, 글씨 크기 200으로 설정하여 제시되었다. 작업기억 검사 4개 과제의 합산 점수(계 14점)를 작업기억용량 집단을 나누는 지표로 사용하였다. 대상자들의 작업기억용량을 해당 지표에 따라 정렬한 후, 중앙값 분리(median-split)를 실시하여 ‘작업기억 높음’ 집단과 ‘작업기억 낮음’ 집단으로 분류하였다(Stark, Mandl, Gruber, & Renkl, 2002).

작업기억용량을 기준으로 하여 집단을 분류한 작업기억용량 고 · 저 집단의 정보는 Table 1에 제시하였다.

Demographic information on participants

실험자극

본 연구에서 사용된 문장 자극은 총 66개의 ‘타당함-타당하지 않음’의 문장 쌍으로 이루어졌다. 문장은 모두 ‘주어+목적어+서술어’의 3어절 문장으로 구성되었으며 타당한 문장과 타당하지 않은 문장의 주어와 목적어는 동일하게 하되, 서술어에서 의미적 위반이 일어나도록 조작하여 구분하였다. 문장 자극의 문장성분 중 주어는 다음의 기준을 통해 선정되었다. (1) 호칭어로 선정하였으며, (2) 21세기 연세 말뭉치를 기반으로 빈도수 100 이상의 고빈도 및 초고빈도 명사로 선정하였다(Seo, 1998). 목적어 선정 기준은 (1) 명사이며, (2) 21세기 연세 말뭉치를 기반으로 빈도수 100 이상의 고빈도 및 초고빈도 명사로 선정하였다(Seo, 1998). 서술어 선정 기준은 (1) 정상 성인 20-40대 31명에게 5점 체계의 Likert 척도로 타당도 검증을 실시하여 Likert 척도가 평균 4 이상이면 타당한 문장의 서술어로, Likert 척도가 평균 2 이하이면 타당하지 않은 문장의 서술어로 선정하였으며, (2) 중복 없이 1회만 등장하며, (3) 21세기 연세 말뭉치를 기반으로 빈도수 100 이상의 고빈도 및 초고빈도 명사로 선정하였으며(Seo, 1998), (3) 고려대한국어대사전에서 ‘타동사’로 분류되어 목적어를 가지는 3항 술어로 선정하였다(Research Institute of Korean Studies, Korea University, 2009).

실험 자극은 아나운서 출신의 여성이 방음 설비가 된 녹음실에서 녹음하였다. 문장의 속도는 우리나라 정상 성인의 말 속도에 관한 연구(Kwon, Kim, Choi, & Lee, 1998)를 참조하여 초당 2.77음절로 녹음하였으며, 녹음 파일의 Sampling rate는 44.1 kHz로 저장되었다. 녹음된 음원을 전문 음향 기사가 정규화(normalization)하여 백색 소음(white noise)을 추가하는 작업을 진행하였다. 실험 자극 문장에서 소음은‘주어+목적어+서술어’의 구성 중 문장의 의미적 위반을 일으키는 서술어에 추가하였다. 녹음된 음성 강도를 기준으로 하여 소음의 신호를 –5 dB, 0 dB, 5 dB의 SNR로 조정하여 소음이 추가된 음원을 제작하였다. SNR 조건은 성인의 SNR에 따른 단어 인지도에서 유의미한 결과를 보인 청취 조건임을 확인한 Jang과 Jeon (2013)의 연구 결과를 바탕으로 하여 결정하였다.

문장의 의미적 타당성 판단 과제에 사용된 실험 자극은 총 297문항으로, 유사무작위배열(pseudo-randomization)하여 사용되었다. ‘타당한 문장’ 33문장이 –5 dB, 0 dB, 5 dB SNR의 듣기 조건에 따라 세 번씩 반복되어 99문장이 실험 자극으로 배치되었고, ‘타당하지 않은 문장’ 33문장이 –5 dB, 0 dB, 5 dB SNR의 듣기 조건에 따라 두 번씩 반복되어 198문장이 실험 자극으로 배치되었다. 이에 따른 실험 자극의 예시는 Table 2에 제시하였으며, 전체 자극은 Appendix 1에 제시하였다.

Examples of experimental sentences

실험절차

실험 자극은 실험용 소프트웨어인 이-프라임(E-Prime 2.0 Professional, Psychology Software Tools, USA)을 이용하여 설계하였다. 자세한 실험 절차 패러다임은 다음과 같다.

시선을 고정하기 위해 화면 가운데 ‘+’표시가 제시된 후, 청각 자극이 재생된다. 청각 자극의 재생이 끝난 후, 청각 자극과 동일한 문장이 화면에 시각 자극으로 한 어절씩 나타났다 사라진다. ‘주어+목적어+서술어’형태의 자극에서 주어와 목적어는 글자로 주어지고, 소음 처리된 서술어는 괄호 형태의 빈칸(_______)으로 제시된다. 연구 대상자는 청각 자극과 시각 자극의 제시가 완료되고 빈칸이 제시되었을 때 ‘문장이 의미적으로 자연스럽고 타당하다’고 생각하면 숫자 키보드의 1번을, ‘문장이 의미적으로 부자연스럽고 타당하지 않다’고 생각하면 숫자 키보드의 3번을 누르도록 하였다. 응답은 최대한 빠르고 정확하게 하도록 안내하였다.

시선을 고정하기 위한 ‘+’표시가 나타나는 시간은 200 ms이며, 청각 자극은 3,000 ms 동안 재생되었다. 시각 자극에서 어절 당 제시 시간은 800 ms으로 하였으며, 자극의 글자는 28 사이즈의 하얀색 글자로, 검은 바탕 화면에 제시된다. 연구 대상자가 행동 반응을 하는 빈칸(_______)은 연구 대상자가 반응을 입력하면 바로 사라지도록 하였다.

297개의 실험 자극은 71문항씩 3세트, 84문항 1세트로 총 4세트로 구성되었으며, 각 세트가 끝난 후에는 연구 대상자가 충분한 휴식을 취하고 엔터(enter)를 눌러 자유롭게 실험을 재개하였다. 실험은 휴식시간을 더해 약 30분간 진행되었다. 문장의 의미적 타당성 판단 과제의 실험 절차 패러다임은 Figure 1과 같다.

Figure 1.

Procedure for experimental sentences.

또한 피험자가 문장의 의미적 타당성 판단 과제를 수행하는 동안 뇌전도 녹화가 진행되었다. Compumedics Neuroscan사의 Grael 4K EEG amplifier와 Quik-Cap Neo Net–Grael로 뇌전도를 측정하였으며, 절차는 다음과 같다. 먼저 음향을 제어하고 소음 및 전자파를 차단하도록 제작된 음향 제어룸 & 전자파 쉴드룸(soundtreated room & soundproof and electrically shield room) 안에서 피험자의 두피에 전극을 부착하였다. 전극은 국제 표준방식인 10-20 시스템(Jasper, 1958)에 따라 Fp1, Fp2, F11, F7, F3, Fz, F4, F8, F12, FT11, FC3, FCz, FC4, FT12, T7, C3, Cz, C4, T8, CP3, CPz, CP4, P7, P3, Pz, P4, P8, P8, O1, OZ, O2 부위와 추가적인 2개의 기준전극(reference electrodes) M1, M2가 유양돌기에 부착되었으며, 뇌파에 영향을 미치는 눈 깜박임과 미세 도약안구운동(saccade)을 기록하기 위해 수평 안전도(horizontal electrooculogram, hEOG), 수직 안전도(vertical electrooculogram, vEOG), 안전도(Electrooculogram, EOG) 기록 전극을 부착한다. 검사가 진행되는 동안 전극저항은 10 kΩ 이하로 유지하였다. 연구 대상자가 문장의 의미적 타당성 판단 과제를 수행하는 동안 EEG는 Curry7 (Compumedics, Neuroscan)을 이용하여 1,024 Hz로 샘플링(sampling)되어 기록되었다. 실험에 사용하는 청각 자극은 연구 대상자에게 1 m 떨어진 채 +45°와 –45°에 위치한 스피커를 통해 제시되었으며, 청력검사기(R25C-PT Diagnostic)를 통해 육성으로 대상자의 쾌청 수준(MCL)에 맞추어서 제시하였다.

ERP 실험 시 청각 자극의 제시와 시각 자극의 제시가 모두 끝난 후, 대상자가 문장의 의미적 타당성 판단을 하는 마지막 괄호 형태의 빈칸(_______)이 ‘실험 영역(critical region)’이 되며, 실험 영역이 제시되기 200 ms전부터 제시되고 난 후 900 ms까지를 ERP 분석 범위로 설정하였다.

자료분석

정반응률

연구 대상자가 문장이 타당한지, 타당하지 않은지를 판단하여 숫자 키보드를 눌러 반응한 것을 분석하였다. 피험자가 정반응한 실험자극을 전체 실험자극으로 나누어 정반응률(%)로 계산한다.

반응시간

문장의 의미적 타당성 판단 과제의 반응시간은 ms 단위로 측정하였으며, 화면에 실험 영역이 시각적으로 제시된 순간부터 연구 대상자가 문장의 타당성을 판단하여 숫자 키보드의 ‘1’ 혹은 ‘3’을 입력한 시간까지를 E-Prime을 통해 자동으로 측정하였다. 반응시간은 피험자가 정반응한 문항을 대상으로 하여 분석하였으며, 표준편차(SD)를 구하여 ±3 SD를 벗어나는 값은 이상 값(outlier)으로 정의하여 분석에서 제외하였다.

자료 전처리 과정

문장의 의미적 타당성 판단 과제를 수행하는 동안 기록된 피험자의 EEG 데이터를 Matlab R2013b와 EEG LAB v12.0.2.5b 프로그램을 이용하여 분석하였다. 피험자들이 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 오반응 한 시행은 제거한 후, 250 Hz로 샘플링(resampling) 한 뒤, 실험 영역(critical region)이 제시되기 200 ms부터 실험 문장이 제시되기까지의 200 ms 구간의 값을 기저선(baseline)으로 하여 실험 영역이 제시된 시점부터 실험 영역이 제시된 후 900 ms까지 총 1,100 ms 구간(epoch)을 잘랐다. 인지작용과 관련된 뇌파의 범위인 0.1-30 Hz로 대역 여과(band-pass filter) 하였으며, 눈 깜박임을 보정하기 위하여 안구 교정(ocular correction)을 실시하였다. ±50 μV (micro volt)를 넘는 시행(trial)은 제거하여 기타 잡음(artifacts)들을 소거하였다. 전처리 과정을 끝내고 남은 시행들을 SNR 조건 및 문장의 의미적 타당성에 따라 조건별로 추출하고 평균 내어 각 집단의 평균 ERP 파형을 구하였다.

ERP 데이터는 좌측 전방(FP1, F7, F3, FC3, F7), 좌측 후방(CP3, P7, P3, O1), 우측 전방(FP2, F8, F4, F3), 우측 후방(CP4, P8, P4, O2)의 4개영역(ROI)으로 구분하여 분석하였다.

통계적 처리

SNR에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 집단 간 정반응률 및 반응시간에서 유의한 차이가 있는지 알아보기 위해 교육년수를 공변량으로 통제한 삼원혼합공분산분석(three-way mixed ANCOVA)을 실시하였다.

또한, SNR에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 문장의 의미적 타당성 판단 후 300-500 ms (N400) 구간에서 작업기억용량 집단 간 ERP의 평균 진폭에 유의한 차이가 있는지 알아보기 위해 중심선 영역에서는 교육년수를 공변량으로 통제한 사원혼합공분산분석(four-way mixed ANCOVA), 좌우 반구 및 전두-후두 영역에서는 교육년수를 공변량으로 통제한 오원혼합공분산분석(five-way mixed ANCOVA)을 실시하였다. 통계적 분석은 SPSS Statistics25를 사용하였다.

연구결과

행동분석

정반응률

SNR에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 집단 간 정반응률에서 유의한 차이가 있는지 알아보기 위해 교육 년수를 공변량으로 통제한 삼원혼합공분산분석(three-way mixed ANCOVA)을 실시하였다. SNR과 문장의 의미적 타당성에 따른 작업기억용량 집단 간 정반응률(%)의 기술통계 및 공분산분석 결과는 Tables 3, 4와 같으며, 정반응률 그래프는 Figure 2와 같다.

Descriptive Statistics on accuracy of sentence plausibility judgment task as a SNR for the high and low working memory groups

ANCOVA results from the accuracy of sentence plausibility judgment task as a SNR for the high and low working memory groups

Figure 2.

Accuracy of sentence plausibility judgment task for each condition in the high and low working memory groups.

P=Plausible; ImP=Implausible; WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

SNR에 따른 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 집단 간 주효과는 유의하지 않았으며(F(1, 23)=.035, p>.05), SNR에 대한 주효과(p>.05)와 문장의 의미적 타당성에 대한 주효과(p>.05)는 통계적으로 유의하지 않았다.

문장의 의미적 타당성과 작업기억용량 집단 간 이차상호작용은 통계적으로 유의하지 않았으며(F(1, 23)=3.261, p>.05), SNR과 문장의 의미적 타당성 간 이차상호작용 또한 통계적으로 유의하지 않았다(F(2, 46)=1.401, p>.05). SNR과 작업기억용량 집단 간 이차상호작용이 근사적으로 유의(marginally significant)하였다(F(2, 46) =3.138, p<.08). 이에 따라 LMATRIX와 MMATRIX 명령문을 사용하여 사후 검정을 실시한 결과, SNR과 작업기억용량 집단 간 이차상호작용은 -5 dB SNR 조건에서의 작업기억용량 집단 간 차이가 근사적으로 유의하여(p<.08) 나타났다. 즉, ‘작업기억 낮음’ 집단이 0 dB SNR 조건에서의 집단 간 정반응률 차이보다 -5 dB SNR 조건에서의 집단 간 정반응률 차이가 크게 관여하여, -5 dB SNR 조건에서 ‘작업기억 높음’ 집단보다 저하된 수행력을 보인 데 기인하였다.

SNR에 따른 집단 간 정반응률 그래프는 Figure 3과 같다. SNR과 문장의 의미적 타당성, 작업기억용량 집단 간의 삼차상호작용은 통계적으로 유의하지 않았다(F(2, 46)=.200, p>.05).

Figure 3.

Accuracy of sentence plausibility judgment task for working memory groups and SNR condition.

WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

반응시간

SNR에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 집단 간 반응시간에서 유의한 차이가 있는지 알아보기 위해 교육 년수를 공변량으로 통제한 삼원혼합공분산분석(three-way mixed ANCOVA)을 실시하였다. SNR과 문장의 의미적 타당성에 따른 작업기억용량 집단 간 반응시간(ms)의 기술통계 및 공분산분석 결과는 Tables 5, 6과같으며, 반응시간 그래프는 Figure 4와 같다.

Descriptive Statistics on Response time of sentence plausibility judgment task in the high and low working memory groups for SNR

ANCOVA results from the accuracy of sentence plausibility judgment task in the high and low working memory groups for SNR

Figure 4.

Response time of sentence plausibility judgment task for each condition in the high and low working memory groups.

P=Plausible; ImP=Implausible; WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

SNR에 따른 문장의 의미적 타당성 판단 과제의 반응시간은 Figure 4와 같다. SNR에 따른 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 집단 간 주효과가 통계적으로 유의하였다(F(1, 23) = 4.477, p<.05). ‘작업기억 높음’ 집단의 평균 반응시간이 ‘작업기억 낮음’집단의 평균 반응시간보다 유의하게 높았다.

그 외 작업기억용량 집단에 대한 주효과 및 상호작용 효과는 유의하지 않았다.

SNR에 따른 작업기억용량 집단 간 ERP 성분의 평균 진폭(mean amplitude) 크기 분석

SNR에 따른 작업기억용량 집단 간 ERP 분석에 따른 평균 파형 결과는 Figures 5, 6, 7에 제시하였다.

Figure 5.

In condition -5 dB SNR, grand average waves between working memory groups for each condition.

SNR=Signal to Noise Ratio.

Figure 6.

In condition 0 dB SNR, grand average waves between working memory groups for each condition.

SNR=Signal to Noise Ratio.

Figure 7.

In condition 5 dB SNR, grand average waves between working memory groups for each condition.

SNR=Signal to Noise Ratio.

중심선 영역 분석

중심선 영역에서의 SNR에 따른 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 집단 간 300-500 ms 구간의 평균 진폭 차이를 알아보기 위하여 교육년수를 공변량으로 통제한 사원혼합공분산분석(four-way mixed ANCOVA)을 실시하였다. 각 중심선 영역에서의 SNR과 문장의 의미적 타당성에 따른 작업기억용량 집단 간 300-500 ms 구간의 평균 진폭 크기에 대한 사원혼합공분산분석(four-way mixed ANCOVA) 결과는 Table 7과 같다.

ANCOVA results from the mean amplitude of 300-500 ms intervals on sentence plausibility judgment task in the high and low working memory groups for SNR in midline

SNR과 문장의 의미적 타당성에 따른 작업기억용량 집단 간 변수에 따른 주효과는 유의하지 않았으나, SNR에 따라 중심선 영역에서의 이차상호작용이 근사적으로 유의하였다(F(4, 92)=2.303, p<.08). 이에 따라 각 SNR별로 이원분산분석(two-way ANOVA)을 실시하였다. 0 dB SNR 조건과 -5 dB SNR 조건에서는 중심선 영역에 따른 유의한 주효과가 나타나지 않았으나(p>.05), 5 dB SNR 조건에서는 중심선 영역에 따른 근사적으로 유의한 주효과가 나타났다(F(2, 100)=2.972, p<.08). Bonferroni 사후검정을 실시한 결과, Fz의 평균 진폭(.912 μv)이 Cz의 평균 진폭(-.884 μv)보다 유의하게 컸으며(p<.01), Pz의 평균 진폭(-.605 μv)보다 유의하게 컸다(p<.01). 즉, SNR에 따른 중심선 영역에서의 이차상호작용은 5 dB SNR 조건에서의 중심선에 따른 평균 진폭 차이에 기인하였다. 중심선, 문장의 의미적 타당성과 작업기억용량 집단 간 따른 삼차상호작용이 유의하였다(F(2, 46)=6.046, p<.01). 이에 따라 각 집단별로 이원분산분석(two-way ANOVA)을 실시하였다. ‘작업기억 높음’ 집단에서 중심선 영역과 문장의 의미적 타당성에 대한 이차상호작용이 유의하였으며(F(2, 76)=4.566, p<.05), ‘작업기억 낮음’ 집단에서는 유의하지 않았다(F(2, 76)=1.473, p=1.473). 즉, 삼차상호작용은 ‘작업기억 높음’ 집단에서 문장의 의미적 타당성에 대한 중심선 영역에서의 평균 진폭 차이가 기여한 결과이다. 문장의 의미적 타당성에 따른 작업기억용량 집단 간 중심선 영역의 평균 진폭 그래프는 Figure 8과 같다.

Figure 8.

Mean amplitude of sentence plausibility judgment task for each condition in high and low working memory groups in centerline area.

P=Plausible; ImP=Implausible; WM=Working memory.

그 외 주효과 및 집단 간 상호작용은 유의하지 않았다.

좌우 반구 및 전두-후두 영역 분석

좌우 반구 및 전두-후두 영역에서의 SNR에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 집단 간 300-500 ms 구간의 평균 진폭 차이를 알아보기 위하여 교육년수를 공변량으로 통제한 오원혼합공분산분석(five-way mixed ANCOVA)을 실시하였다. 좌우 반구 및 전두-후두 영역에서의 SNR에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 집단 간 300-500 ms 구간의 평균 진폭 크기에 대한 오원혼합공분산분석(five-way mixed ANCOVA) 결과는 Table 8과 같다.

ANCOVA results from the mean amplitude of 300-500 ms intervals on sentence plausibility judgment task in the high and low working memory groups for SNR in left VS right laterality and anterior VS posterior regions

SNR과 문장의 의미적 SNR에 따라 문장의 의미적 타당성 판단 과제에서 작업기억용량 집단 간 주효과 및 조건의 주효과는 유의하지 않았다.

문장의 의미적 타당성과 전두-후두 영역에 따른 작업기억용량 집단의 삼차상호작용이 유의하였다(F(1, 23)=5.797, p<.05). 이에 따라 집단별로 이원분산분석(two-way ANOVA)을 실시하였다. ‘작업기억 높음’ 집단에서는 문장의 의미적 타당성과 전두-후두 영역 간 이차상호작용이 유의하였으나(F(1, 77)=6.283, p<.05), ‘작업기억 낮음’ 집단에서는 유의하지 않았다(p=.093). ‘작업기억 높음’ 집단 내에서 문장의 의미적 타당성과 전두-후두 영역에 따른 평균 진폭의 차이가 ‘작업기억 낮음’ 집단 내에서 문장의 의미적 타당성과 전두-후두 영역에 따른 평균 진폭의 차이보다 컸다. 즉, 삼차상호작용은 ‘작업기억 높음’ 집단에서 문장의 의미적 타당성과 전두-후두 영역에 따른 평균 진폭의 차이에서 기인하였다. 문장의 의미적 타당성에 따른 작업기억용량 집단 간 전두-후두 영역의 평균 진폭 그래프는 Figure 9와 같다.

Figure 9.

Mean amplitude of sentence plausibility judgment task for each condition in high and low working memory groups.

P=Plausible; ImP=Implausible; WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

그 외 주효과 및 집단 간 상호작용은 유의하지 않았다.

논의 및 결론

본 연구에서는 노년층 내에서 작업기억용량에 따라 ‘작업기억 높음’ 집단과 ‘작업기억 낮음’ 집단을 나누고 SNR 듣기 조건(-5 dB, 0 dB, 5 dB)을 다르게 하여 문장의 의미적 타당성 판단 과제를 실시하였다. 문장의 의미적 타당성 과제 수행 시, 집단 간 정반응률 및 반응속도와 ERP 성분 및 평균 진폭을 분석하였다.

본 연구에서 정반응률 및 반응속도에 따른 행동분석 결과는 다음과 같다. SNR과 문장의 의미적 타당성에 따른 작업기억용량 집단 간 정반응률 분석 결과, SNR과 작업기억용량 집단 간 이차상호작용이 근사적으로 유의하였다. 이는 ‘작업기억 낮음’ 집단에서 0 dB SNR 조건의 정반응률에 비해 -5 dB SNR 조건에서 저하된 정반응률을 보이는 데 기인하였다. 연구 대상자의 청력을 Humes(2020)의 기준을 따라 순음청력역치의 연령별 정상 범위와 어음청력검사 결과에서 90% 이상의 어음 인지도를 가진 자(Joo & Jang, 2009)로 통제하였음에도 -5 dB SNR에서 ‘작업기억 높음’ 집단보다 ‘작업기억 낮음’ 집단이 저조한 수행률을 보였다. 같은 조건에서 보이는 두 집단 간의 수행률 차이는 노년층의 감퇴된 청각으로 인한 청각 처리의 어려움과 인지 기능 저하의 관련성을 설명한 Schneider와 Pichora-Fuller (2000)의 정보 저하 가설, Lindenberger와 Baltes (1994)의 감각 박탈 가설, Baltes와 Lindenberger (1997)의 공통 원인 가설 모두를 뒷받침하는 결과이다. 또한 작업기억용량이 클수록 청각 정보의 손실로 인한 지각 단계의 인지 능력 사용에도 불구하고 청각 정보의 언어적 이해와 같은 다른 인지 처리의 수행을 가능케 한다는 국외 선행연구(Lee, 2018; Pichora‐Fuller et al., 1995; Rönnberg et al., 2010)와 일치한다. 본 연구에서 노년층의 청력을 통제했다는 점을 다시 한번 상기시킨다면, 노년층 내에서 작업기억용량 집단 간 수행률의 차이는 청력 역치가 노년층의 청각 처리의 어려움을 나타내는 절대적인 변인이 될 수 없음을 증명한다. 즉, 청각 정보의 손실이 증가하면 하향식 처리에 의해 청각 처리가 이루어지는데, ‘작업기억 낮음’ 집단은 청각 정보의 지각에서 인지 부담이 높아져 하향식 처리를 효율적으로 사용할 작업기억용량이 충분하지 않은 것으로 해석된다. 소음 조건과 관련하여, 0 dB, 5 dB SNR의 청취 조건보다 -5 dB SNR의 청취 조건에서 ‘작업기억 낮음’ 집단의 정반응률이 감소한 것은 -5 dB SNR 소음 조건의 나머지 소음 조건인 0 dB, 5 dB SNR과 비교했을 때 상대적으로 청취하기 어려운 환경임을 의미한다. 이와 같은 결과는 소음 속에 노출된 상황은 상대적으로 청취하기에 어려운 환경이기 때문에 청취 노력(Listening effort)이 높아진다는 선행연구(Kahneman, 1973; Moray, 1967; Picou et al., 2011)와 소음 상황에서의 청각 처리 능력은 SNR 이 낮을수록 저하된다는 Wagner와 Brand (2005)의 연구와도 일치한다. 인간의 주의 집중에는 일반적으로 제한된 용량(capacity)이 있으며, 청자가 소음 등의 상황으로 인해 인지 요구가 증가하면 청각적 정보를 회상하고 의사소통을 위한 인지 자원은 줄어들고 청취 노력은 증가하게 된다(Moray, 1967; Kahneman, 1973; Picou et al., 2011). 즉, -5 dB SNR의 소음 조건이 청각 정보의 손실을 불러와 수행률이 저하되었으며, 청각 정보의 지각에서부터 시작되는 인지 부담은 노년층의 인지 기능의 저하로 인해 의사소통 상황에서 방해 요소임을 밝힌 선행연구(Meister, Rählmann & Walger, 2018; Peelle, 2018; Salthouse, 2010)를 증명하는 결과이다. 5 dB, 0 dB SNR의 소음 조건과는 다르게 -5 dB SNR에서 급격한 청각 처리 능력의 어려움을 보이는 결과는 5 dB, 0 dB SNR의 소음 조건에 비해 -5 dB SNR 소음 조건에서 말 지각 수행력이 뚜렷하게 낮아졌다고 보고한 Han (2003), Lee와 Kim (2016)의 연구와 일치하는 SNR 조건이다. Lee와 Kim (2016)에 따르면, 지하철 등의 대중교통 수단 내에서 대화 상황의 SNR 수준은 평균 -2 dB SNR 정도로 낮아지며 백색 잡음보다 다화자 잡음일 때, 청자가 청각 처리에 어려움을 겪는다고 하였다(Simpson & Cooke, 2005). 본 연구가 소음의 종류로 백색 잡음을 사용하여 SNR을 조절하였으므로, -5 dB SNR에서 노년층의 수행률이 유의미하게 저조한 것은 해당 소음 조건이 노년층의 인지 부담을 증가시켜 대중교통, 백화점과 같은 시끄러운 공공장소에서의 대화나 방송 등 일상생활에서 청각 처리에 어려움을 주는 정도의 조건이며, 특히 작업기억이 낮을수록 어려움이 증가하는 청취 조건임을 시사한다.

다음으로, ERP의 N400 성분 분석 결과는 다음과 같다. 중심선 영역과 전두-후두 영역에서 유의미한 주효과 및 상호작용이 나타났다. Fz 영역에서 N400이 Cz, Pz 영역에서의 N400보다 활성화된 것을 관찰할 수 있었으며, 후두 영역보다 전두 영역에서의 N400의 평균 진폭이 유의미하게 크게 관찰되었다. 본 실험에서는 두정부 주위에서 N400이 뚜렷하게 관찰되었고, 이는 N400 성분이 두정부 주위에서 주로 나타난다는 선행 연구와 일치한다(Kutas & Federmeier, 2011). 이와 같은 결과는 ERP 분석을 통해 한국어에서 청각 처리 시, 두정부 주위의 N400 성분의 활성화를 증명하며, 동시에 청각 처리에 대한 N400 성분이 한국어 이해에서 작업기억용량, 의미적 처리와 관련된 인지 신경기제와의 연관성을 나타낸다.

중심선, 문장의 의미적 타당성과 작업기억용량 집단 간 따른 삼차상호작용이 유의하였다. ‘작업기억 높음’ 집단에서 문장의 의미적 타당성에 대한 중심선 영역에서의 평균 진폭 차이에서 기인하였다. 문장의 의미적 타당성과 전두-후두 영역에 따른 작업기억용량 집단의 삼차상호작용이 유의하였다. ‘작업기억 높음’ 집단에서 문장의 의미적 타당성과 전두-후두 영역에 따른 평균 진폭의 차이가 ‘작업기억 낮음’집단보다 크게 나타났다.

George, Mannes와 Hoffman (1997)은 작업기억용량과 언어 처리의 상관관계를 ERP를 통해서 분석하였다. 추론 조건을 어려움에 따라 4단계로 세분화하였을 때, 작업기억용량이 높은 집단은 1단계부터 4단계까지의 추론이 모두 일어났으며, 작업기억용량이 낮은 집단은 1단계의 필연적인 추론에 그쳤는데, 추론의 어려움과 N400 효과의 크기는 정적 상관관계가 있다고 하였다. 이를 통해 의미론적 통합의 어려움(semantic integration difficulty)을 반영하는 N400 성분과 작업기업용량의 유의미한 정적 상관관계를 증명하였다. 본 연구에서는 소음으로 인해 손실되는 청각적 정보를 문장의 타당성에 기반해 끊임없이 추론해야 한다는 측면에서 작업기억용량의 관여도와 N400 성분을 살펴본 본 연구의 결과와도 일치한다. 특히 -5 dB, 0 dB SNR 조건에서 작업기억용량 집단 간 평균 파형 그래프는 ‘작업기억 높음’ 집단의 N400 효과가 ‘작업기억 낮음’ 집단의 N400 효과를 상회하였다. ‘작업기억 높음’ 집단은 작업기억용량이 상대적으로 크기 때문에 지각을 넘어 다른 인지 처리의 수행을 가능케 한(Lee, 2018; Pichora‐Fuller et al., 1995; Rönnberg et al., 2010) 결과로 해석된다.

ERP 성분에 대한 논의를 종합해보면, ‘작업기억 높음’ 집단의 평균 진폭 크기가 ‘작업기억 낮음’ 집단의 평균 진폭 크기에 비하여 유의하게 컸으며, 작업기억용량 집단 간 평균 파형 그래프와 상호작용 그래프에서도 집단 간 N400 성분의 뚜렷한 차이가 확인된다. 본 연구는 작업기억용량에 따른 차이를 온라인(online) 처리 과정인 N400 성분에서 확인할 수 있었다는 측면에서 의미가 있다. 즉, ‘작업기억 높음’ 집단이 ‘작업기억 낮음’ 집단보다 N400 효과가 부적 방향으로 크게 나타났으며, 이와 같은 집단 간 차이는 청취 노력이 많이 들어가는 SNR의 조건일수록 더 명료하게 나타났다. 다시 말해 언어 처리 과정에 소음이 방해 요인으로 개입하였을 때, ‘작업기억 높음’ 집단은 의미적 오류의 인지를 반영하는 N400 성분이 크게 나타났다. 반면, ‘작업기억 낮음’ 집단은 실시간으로 의미적 오류의 인지를 감지하는 정도가 작업기억용량이 높은 집단에 비해 약한 것으로 해석된다. 이는 작업기억용량의 개인차에 대한 양분화된 관점 중, Just와 Capenter (1992)의 단일 작업기억용량 이론(single working memory capacity theory)과 일치하며, Caplan과 Waters (1999)의 개별 자원 모델(separated resource theory)과는 상반되는 결과이다. 작업기억에서 저장과 처리의 범위가 분화되어 있지 않고 일원화되어 존재하므로, 저장과 처리를 동시에 직면했을 때 필요성에 따라 저장과 처리의 메커니즘에서 작업기억 자원을 효율적으로 조절한다고 보았다. 즉, 온라인 및 오프라인(offline) 처리 과정 모두 작업기억용량이 개입하여 ‘작업기억 높음’ 집단과 ‘작업기억 낮음’ 집단의 차이가 드러났다.

본 연구는 한국어 언어 처리 과정에서 노년층을 대상으로 작업기억용량이 미치는 영향을 ERP를 통해 온라인으로 살펴본 첫 시도이며 언어 처리 과정의 방해 요인을 반영하기 위해 SNR을 적용한 ERP 연구라는 측면에서 의의가 있다.

References

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Appendices

Appendix 1. 실험 문장

Article information Continued

Figure 1.

Procedure for experimental sentences.

Figure 2.

Accuracy of sentence plausibility judgment task for each condition in the high and low working memory groups.

P=Plausible; ImP=Implausible; WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

Figure 3.

Accuracy of sentence plausibility judgment task for working memory groups and SNR condition.

WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

Figure 4.

Response time of sentence plausibility judgment task for each condition in the high and low working memory groups.

P=Plausible; ImP=Implausible; WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

Figure 5.

In condition -5 dB SNR, grand average waves between working memory groups for each condition.

SNR=Signal to Noise Ratio.

Figure 6.

In condition 0 dB SNR, grand average waves between working memory groups for each condition.

SNR=Signal to Noise Ratio.

Figure 7.

In condition 5 dB SNR, grand average waves between working memory groups for each condition.

SNR=Signal to Noise Ratio.

Figure 8.

Mean amplitude of sentence plausibility judgment task for each condition in high and low working memory groups in centerline area.

P=Plausible; ImP=Implausible; WM=Working memory.

Figure 9.

Mean amplitude of sentence plausibility judgment task for each condition in high and low working memory groups.

P=Plausible; ImP=Implausible; WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

Table 1.

Demographic information on participants

WM high WM low
WM SUM 25.84 ± 3.20 (21-32) 16.07 ± 2.92 (8-20)
Gender
 Male 2 3
 Female 11 10
Age (yr) 63.69 ± 3.11 (60-69) 68.15 ± 4.01 (62-74)
Education (yr) 16 ± 1.41 (12-18) 12.61 ± 2.25 (9-16)
K-MMSE 29.38 ± 1.04 (27-30) 27.92 ± 1.32 (26-30)
SVLT-I 24.84 ± 2.91 (20-30) 22.38 ± 3.68 (18-29)
SVLT-D 8.92 ± 1.25 (7-11) 7.53 ± 1.80 (5-10)

Values are presented as number or mean±SD (range).

WM=Working memory; K-MMSE=Korean-Mini Mental State Examination; SVLT=Seoul Verbal Learning Test; SVLT-I= SVLT Immediate recall; SVLT-D=SVLT Delayed recall.

Table 2.

Examples of experimental sentences

Plausibility Sentence
Subject Object Verb
Plausible daughter-in-law-ka (Nom) milk-lul (Acc) purchase (Dec)
Implausible daughter-in-law-ka (Nom) milk-lul (Acc) cut (Dec)

Nom=Nominative; Acc=Accusative; Dec=Declarative.

Table 3.

Descriptive Statistics on accuracy of sentence plausibility judgment task as a SNR for the high and low working memory groups

SNR Plausibility WM high (N=13)
WM low (N = 13)
Mean SD Mean SD
-5 dB Plausible 86.70 8.25 80.41 6.95
Implausible 87.52 6.54 90.32 5.88
0 dB Plausible 92.99 5.00 92.29 5.47
Implausible 89.85 4.11 93.35 4.40
5 dB Plausible 93.93 6.18 90.90 4.62
Implausible 92.76 5.67 94.98 5.00

WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

Table 4.

ANCOVA results from the accuracy of sentence plausibility judgment task as a SNR for the high and low working memory groups

Distributed source Sum of square Degree of freedom Mean square F
Between factor
 Group 3.636 1 3.636 .035
 Error 2,387.071 23 103.786
Within factor
 SNR 0.430 2 0.215 .017
 SNR × Group 77.309 2 38.654 3.138*
 Error 566.617 46 12.318
 Plausibility 7.079 1 7.079 .131
 Plausibility × Group 176.801 1 176.801 3.261
 Error 1,246.836 23 54.210
 SNR × Plausibility 34.320 2 17.160 1.401
 SNR × Group × Plausibility 4.902 2 2.451 .200
 Error 563.424 46 12.248

SNR=Signal to Noise Ratio.

*

p<.08.

Table 5.

Descriptive Statistics on Response time of sentence plausibility judgment task in the high and low working memory groups for SNR

SNR Plausibility WM high (N=13)
WM low (N = 13)
Mean SD Mean SD
-5 dB Plausible 634.57 206.68 727.87 315.18
Implausible 643.63 213.45 668.98 171.36
0 dB Plausible 607.14 222.20 588.19 168.10
Implausible 607.59 221.08 680.01 238.88
5 dB Plausible 629.19 214.00 605.97 189.42
Implausible 610.79 232.91 677.48 214.81

WM=Working memory; SNR=Signal to Noise Ratio.

Table 6.

ANCOVA results from the accuracy of sentence plausibility judgment task in the high and low working memory groups for SNR

Distributed source Sum of square Degree of freedom Mean square F
Between factor
 Group 744,524.779 1 744,524.779 4.477*
 Error 3,825,003.548 23 166,304.502
Within factor
 SNR 2,211.037 2 1,105.518 .221
 SNR × Group 15,266.088 2 7,633.044 1.527
 Error 229,941.089 46 4,998.719
 Plausibility 10,336.89 1 10,336.89 1.743
 Plausibility × Group 610.168 1 610.168 .751
 Error 136,432.916 23 5,931.866
 SNR × Plausibility 39,123.786 2 19,561.893 1.811
 SNR × Group × Plausibility 3,354.764 2 1,677.382 .155
 Error 496,767.741 46 10,799.299

SNR=Signal to Noise Ratio.

*

p<.05.

Table 7.

ANCOVA results from the mean amplitude of 300-500 ms intervals on sentence plausibility judgment task in the high and low working memory groups for SNR in midline

Distributed source Sum of square Degree of freedom Mean square F
Between factor
 Group 116.611 1 0.053 .000
 Error 4,698.587 23 204.286
Within factor
 SNR 12.678 2 6.339 .815
 SNR × Group 17.391 2 8.695 1.118
 Error 357.618 46 7.774
 Plausibility 14.859 1 14.859 .233
 Plausibility × Group 1.149 1 1.149 .116
 Error 228.084 23 9.917
 ML 11.07 2 5.535 .398
 ML × Group 2.727 2 1.364 .907
 Error 639.351 46 13.899
 SNR × Plausibility 2.688 2 1.344 .189
 SNR × Plausibility × Group 0.476 2 0.238 .033
 Error 327.454 46 7.119
 SNR × ML 7.755 4 1.939 2.303*
 SNR × ML × Group 2.19 4 0.547 .650
 Error 77.461 92 0.842
 Plausibility × ML 2.726 2 1.363 1.636
 Plausibility × ML × Group 10.073 2 5.037 6.046***
 Error 38.319 46 0.833
 SNR × Plausibility × ML 4.024 4 0.791 .534
 SNR × Plausibility × ML × Group 8.546 4 2.137 1.681
 Error 116.956 92 1.271

ML=Midline (Fz, Pz, Cz); SNR=Signal to Noise Ratio.

*

p<.08.

Table 8.

ANCOVA results from the mean amplitude of 300-500 ms intervals on sentence plausibility judgment task in the high and low working memory groups for SNR in left VS right laterality and anterior VS posterior regions

Distributed source Sum of Square Degree of freedom Mean square F
Between factor
 Group 138.25 1 138.25 .308
 Error 2,927.017 23 127.262
Within factor
 SNR 4.325 2 2.162 .290
 SNR × Group 5.713 2 2.857 .384
 Error 342.565 46 7.447
 P 17.278 1 17.278 2.397
 P × Group 2.32 1 2.32 .322
 Error 165.778 23 7.208
 LR 0.05 1 0.050 .002
 LR × Group 0.012 1 0.012 .000
 Error 551.703 23 23.987
 AP 17.834 1 17.834 .401
 AP × Group 12.437 1 12.437 .280
 Error 1,022.078 23 44.438
 SNR × P 1.105 2 0.552 .126
 SNR × P × Group 18.626 2 9.313 2.119
 Error 202.198 46 4.396
 SNR × LR 0.049 2 0.025 .014
 SNR × LR × Group 0.005 2 0.002 .001
 Error 79.023 46 1.718
 P × LR 6.066 1 6.066 1.498
 P × LR × Group 0.625 1 0.625 .154
 Error 93.161 23 4.050
 SNR × P × LR 0.276 2 0.138 .070
 SNR × P × LR × Group 0.816 2 0.408 .209
 Error 89.944 46 1.955
 SNR × AP 6.65 2 3.325 1.247
 SNR × AP × Group 1.261 2 0.630 .237
 Error 122.616 46 2.666
 P × AP 0.039 1 0.039 .019
 P × AP × Group 11.645 1 11.645 5.797*
 Error 46.203 23 2.009
 SNR × P × AP 3.684 2 1.842 .395
 SNR × P × AP × Group 4.558 2 2.279 .488
 Error 214.787 46 4.669
 LR × AP 1.745 1 1.745 .057
 LR × AP × Group 18.514 1 18.514 .606
 Error 702.581 23 30.547
 SNR × LR × AP 0.447 2 0.223 .197
 SNR × LR × AP × Group 0.17 2 0.085 .075
 Error 52.08 46 1.132
 P × LR × AP 0.775 1 0.775 1.766
 P × LR × AP × Group 1.047 1 1.047 2.385
 Error 10.096 23 0.439
 SNR × P × LR × AP 0.099 2 0.049 .044
 SNR × P × LR × AP × Group 4.513 2 2.257 2.006
 Error 51.741 46 1.125

P=Plausibility; LR=Left VS Right laterality; AP=Anterior VS Posterior regions; SNR=Signal to Noise Ratio.

*

p<.05.

타당성 타당함 타당하지 않음
1 엄마가 당근을 깎다 엄마가 당근을 피우다
2 동생이 지우개를 빌리다 동생이 지우개를 따르다
3 조카가 손을 뻗다 조카가 손을 줍다
4 아들이 라면을 끓이다 아들이 라면을 닫다
5 딸이 액자를 걸다 딸이 액자를 벗다
6 남편이 책을 읽다 남편이 책을 깨다
7 아들이 시계를 보다 아들이 시계를 느끼다
8 이모가 신발을 신다 이모가 신발을 키우다
9 사위가 축구공을 차다 사위가 축구공을 익히다
10 사촌이 신문을 고르다 사촌이 신문을 짓다
11 아빠가 신호등을 가리다 아빠가 신호등을 찢다
12 삼촌이 아줌마를 부르다 삼촌이 아줌마를 입다
13 아내가 버스를 타다 아내가 버스를 받다
14 며느리가 여권을 찾다 며느리가 여권을 굽다
15 아빠가 택배를 보내다 아빠가 택배를 삶다
16 고모가 주스를 만들다 고모가 주스를 당기다
17 할아버지가 연필을 잡다 할아버지가 연필을 덮다
18 할머니가 그릇을 놓치다 할머니가 그릇을 짜다
19 아줌마가 글씨를 쓰다 아줌마가 글씨를 건지다
20 아저씨가 지갑을 뒤지다 아저씨가 지갑을 볶다
21 고모가 안경을 바꾸다 고모가 안경을 먹다
22 삼촌이 선풍기를 옮기다 삼촌이 선풍기를 심다
23 할머니가 토마토를 씻다 할머니가 토마토를 열다
24 아내가 립스틱을 바르다 아내가 립스틱을 듣다
25 조카가 자전거를 끌다 조카가 자전거를 빨다
26 딸이 피리를 불다 딸이 피리를 감다
27 사촌이 피아노를 치다 사촌이 피아노를 두르다
28 남편이 야구공을 던지다 남편이 야구공을 켜다
29 엄마가 핸드폰을 꺼내다 엄마가 핸드폰을 개다
30 할아버지가 자동차를 닦다 할아버지가 자동차를 담그다
31 이모가 무릎을 긁다 이모가 무릎을 쫓다
32 아줌마가 냉장고를 치우다 아줌마가 냉장고를 마시다
33 동생이 국기를 내리다 동생이 국기를 찌다