There are a number of different ways that we could try to identify the different subdivisions of the human brain. One powerful approach is to examine brain regions whose activity changes when people are asked to process different kinds of information (for example, memory, decision-making, language generation). We are using Blood Oxygen Level Dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) as an indirect and non-invasive measure of brain activity while individuals perform a variety of different tasks designed to activate and identify as many functional parcels as possible. We can use the information about which brain regions activate during which tasks to help understand how the brain is organized.

Task-based fMRI analyses will help us identify and characterize functionally distinct nodes in the human brain. In turn, this will help us guide, validate, and interpret the results of the connectivity analyses obtained using resting state fMRI and HARDI (High Angular Resolution Diffusion Imaging). We have developed and are utilizing a core battery of tasks that each participant will perform. These tasks have been selected and developed so that we can identify the location of nodes both in a group of participants, and in individual participants.

The tasks assess as many different neural systems as it is feasible within the time that we have available to scan each participant. These “functional localizer” tasks include measures of primary sensory processes (e.g., vision, motor function) and as many different cognitive and affective processes as possible, including stimulus category representations, working memory, episodic memory, language processing, emotion processing, and decision-making.

1. Working-memory task

The working memory paradigm consisted of the n-back memory task. The n-back task, where n is an integer (usually 1,2, or 3), requires on-line monitoring, updating, and manipulation of remembered information, and is therefore assumed to place great demands on a number of key processes within working memory.

Participants performed a letter n-back task with two conditions: 0-back and 2-back. In the 0-back condition, participants were asked to remember a larger letter that was presented at the beginning of each trial block. In the 2-back condition, they were asked to respond when a letter matched one that had been presented two letters before the present letter. We used letters from the Korean alphabet as target cues.

2. Wisconsin Card Sorting Task (WCST)

WCST is widely used to examine executive dysfunction. This task requires the participant to match randomly drawn cards to reference cards according to a sorting category of classification of color, shape and number. The sorting category would be changed after a certain number of consecutive correct decisions. Without notice, however, the sorting category is changed and the participant must switch from the previous category to a new sorting category. Thus, the WCST examines a range of cognitive functions including working memory, set shifting, perseveration, and error detection. There is mounting evidence that patients with frontal cortex damage have impaired performance on the WCST.

WCST is consisted of trials with two different test variants (A and B) and a high-level baseline condition (HLB) in an efficient blocked design. Briefly, in task A (“uninstructed”), the stimulus card was preceded by the neutral word ‘card’ on the screen, giving no information about the sorting criterion. The subject had to determine the sorting criterion by trial and error using each feedback. In task B (“instructed”), the stimulus card provided information only about a change in the sorting criterion, showing the word ‘shape’, ‘color’, or ‘number’ on the screen whenever a change occurred. In the HLB condition, subjects had to choose the card identical to one of four reference cards.

경북대학교 생체의학자기공명영상연구실(BMRLab) 자기공명영상의학팀에서는 사람의 뇌를 여러 지역으로 나누고 이 구역이 어떤 역할을 하는지 알아내는 데, 여러가지 방법을 사용하여 분석합니다. 가장 강력한 접근 방법으로 사람들로 하여금 기억하기, 의사 결정하기, 단어를 생각하기 등의 서로 다른 정보를 처리하도록 함으로써 그들의 뇌에서 어떤 신경학적 변화가 생기는지 파악하는 것이 있습니다. 우리는 뇌 신경세포 주변의 산소 농도에 의존적인 신호를 통해 기능적 자기공명영상을 사용하여 어떤 사람이 특정 정보를 처리하는 과정을 수행하는 동안 비침습적으로 뇌의 다양한 영역들을 정의내릴 수 있습니다. 어떤 정보 처리에 대한 task를 수행하면서 어떤 뇌의 영역이 활성화 되는지에 대한 정보를 통해 우리는 뇌가 어떻게 구성되어 있는지를 이해할 수 있습니다.

Task에 기초한 기능적자기공명영상의 분석은 사람의 뇌에서 기능적으로 구분 되어 있는 교점(node)들을 구분해 내는 데 사용됩니다. 결과적으로 기능적 자기공명영상 분석은 휴지기 상태의 기능적 자기공명영상, 그리고 HARDI를 이용해 얻은 정보로 뇌에서 기능적으로 구분 된 교점들에 대한 연결성을 해석하고 이해하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 우리 연구실은 각 피험자들이 수행하는 Task들을 개발하고 유효하도록 연구하며 개인 및 그룹 분석을 가능하게 하기 위해 task를 선택하여 사용하고 있습니다.

Task는 각 피험자들을 촬영하는 데 소요되는 시간 내에서 서로 다른 신경 시스템을 평가할 수 있도록 구성되어야 합니다. 이러한 기능적으로 뇌를 구획화하는 역할을 하는 task들은 primary sensoty processes (일차감각; 시각, 운동 기능)와 인지 기능, 정서적 기능, 그리고 자극에 대한 반응, 작업 기억, 일화적 기억, 그리고 언어 기능, 의사 결정 등을 포함하는 다양한 뇌의 기능을 평가할 수 있도록 구성되어 있습니다.

 

1. Working-memory task

작업 메모리 패러다임은 n-back 메모리 작업으로 구성됩니다. n이 정수 (대개 1, 2 또는 3) 인 n-back 작업은 기억 된 정보의 비선형 모니터링, 업데이트 및 조작을 필요로 하기 때문에 작업 메모리 내에서 여러 주요 프로세스에 대해 큰 연관성이 있다고 가정합니다.

참가자들은 0-back과 2-back이라는 두 가지 조건의 글자 n-back 작업을 수행했습니다. 0-back에서 참가자는 각 블록의 시작 부분에 제시된 한글 자음을 기억하도록 요청 받았습니다. 2-back 상태에서, 그들은 현재 보이는 글자가 두 글자 전의 글자와 일치 할 때 응답하도록 요청 받았습니다. 우리는 본 실험에서 한글의 글자를 자극으로 사용했습니다.

 

2. Wisconsin Card Sorting Task (WCST)

위스콘신 카드분류 검사는 전전두엽배외측 영역(Prefrontal Dorsolateral area)의 기능장애를 측정하는 것으로 알려진 대표적인 실행기능 평가도구로써 '사고의 유연성(Flexibility in thinking)' 혹은 인지적 유연성(Cognitive Flexibility)'을 측정하기 위해 개발되었습니다.

이후 카드분류검사에는 추상적 개념 형성(Concept generation)을 하고 범주화 하는 능력, 인지적 도식의 변화(Cognitive set shifting), 여러개의 자극 중 관련없는 자극에 대한 반응을 억제하고 이미 선택한 반응 원칙에 따라 반응하려는 경향을 억제하려는 능력(The ability to inhibit prepotent responses), 시각적으로 세부적인 특징을 변별하는 능력(Attribute identification). 가설을 설정하고 문제를 해결하거나 추리하는 능력, 계획 및 조직화 능력, 그리고 지속적인 주의력이 필요한 것으로 알려져 있습니다.

이 카드 분류 검사에서는 참가자가 색상, 모양 및 숫자의 분류 기준에 따라 나열된 카드를 참조 카드와 대조해야 합니다. 분류 기준은 연속적인 올바른 결정 이후에 변경되나 아무런 지시 없이 분류 기준은 변경되고 참가자는 기존의 기준에서 새로운 기준으로 빠르게 인지를 전환해야 합니다.