Differential effects of age on case marker processing in a verb-final language

Abstract

최근 고령화 인구의 급격한 증가로 인해 이들의 언어처리 기전에 관한 관심이 증가하면서 많은 연구들이 노화에 따른 인지 변화 양상에 초점을 맞추고 있다. 인지변화의 지표로 반응시간과 같은 행동반응 데이터를 제시하고 있으나 행동반응 데이터는 인지적 처리 과정에 따른 결과만을 제시하기 때문에, 언어처리 기전을 이해하기 위해서는 ERP (Event-related potentials) 기법과 같이 언어자극에 대한 뇌의 실시간 처리과정을 살펴보는 연구가 필요하다. 현재까지 발표된 노화에 따른 언어처리 능력에 대한 연구들에 따르면 노화에 따른 인지적 저하가 언어적 결함으로 이어지지만, 모든 언어영역에 공통적으로 적용되지는 않는다고 보고되고 있다. 반면, 공통적으로 노화로 인한 새로운 정보의 인코딩, 의미적, 통사적 정보 통합의 저하가 보고되면서 그에 따른 뇌의 기능적 메커니즘에 대한 연구가 요구되고 있다. 그러나, 아직 노화에 따른 언어처리와 관련된 ERP 연구가 부족한 실정이며, 특히 한국어와 같은 후핵언어 (verb-final language)의 처리 기전에 대한 연구는 더욱 부족하다. 본 연구에서는 노화에 따른 뇌의 언어처리 영역의 기능적 변화를 이해하기 위하여 구문처리 과정에 초점을 맞추었다. 한국어와 같은 후핵언어에서는 격조사가 문장의 구문적 특성을 내포하는 매우 중요한 언어적 요소로 작용하므로 격조사 오류 패러다임을 이용하여 연령에 따른 한국어의 구문 처리 과정의 변화에 대해 살펴보고자 하였다. 사건 관련 전위 (Event-related potentials)는 외부자극이 제시되었을 때 변화하는 뇌의 전기적 활동을 실시간으로 측정하는 도구로 사용되고 있다. 선행 연구들에서는 언어 자극에 관련된 성분으로 LAN, N400, P600 등의 발생이 보고되고 있으며, 특히 한국어의 구문 오류 처리시 N400-P600 성분이 발생한다고 보고되어 있다. 본 연구에서는 구문처리 부담을 가중시키는 격조사 오류 처리시에도 N400 또는 P600 성분이 발견되는지 살펴보고, 나아가 노화에 따른 뇌파 양상에 차이가 있는지 살펴보고자 하였다. 연구에 참여한 43명 (청년층 23명, 노년층 20명)의 데이터 중 정반응률이 60% 미만인 대상자의 데이터를 제외한 뒤, 전처리 과정을 거친 후 50% 이상의 뇌파가 유효한 데이터를 선별하여 총 36명 (청년층 19명, 노년층 17명)의 데이터가 분석에 사용되었다. 실험자극으로는 명사구 1, 명사구 2, 동사로 이루어진 120개의 3어절 문장이 사용되었으며, 격조사 오류 유형에 따라 자극을 세 조건으로 나누었다. 격조사 오류가 없는 유형 (명사구1-주격조사/명사구2-목적격조사/동사), 주격조사 (‘가’) 가 반복되는 유형, 목적격조사 (‘를’)이 반복되는 유형을 무작위 순서로 제시하여 행동반응 데이터로 정반응률과 반응시간을 분석하였으며, ERP 데이터로 100-300ms, 300-500ms, 500-800ms 구간에서의 평균진폭을 분석하였다. 행동반응 데이터의 이원혼합분산분석 (two-way mixed ANOVA) 결과, 청년층보다 노년층에서 낮은 정반응률과 긴 반응시간이 관찰되었다. 정반응률에서 문장유형과 연령 그룹 간 상호작용이 유의하지 않았던 반면 (F(1,34) = .908, p = 0.392), 반응시간에서는 상호작용이 유의한 것으로 나타났다 (F(1,33) = 4.916, p = .014). ERP 데이터의 사원혼합분산분석 (four-way mixed ANOVA) 결과, 명사구2 영역에서 좌우측 영역에 대한 주효과와 100-300ms, 300-500ms 구간에서 전두-후두 영역과 그룹 간 상호작용이 유의한 것으로 나타났다. 동사 영역에서는 300-500ms, 500-800ms 구간에서 문장 유형에 따른 주효과와 300-500ms 구간에서 좌우측 영역에 대한 주효과, 그리고 500-800ms 구간에서 전두-후두 영역에 따른 주효과가 유의하였다. 또한 좌우측 영역과 그룹 간 이차상호작용이 유의하였으며, 좌우측 영역, 전두-후두 영역, 그룹 간 삼차상호작용이 유의한 것으로 나타났다. ERP의 평균 파형에 대한 시각적인 분석결과, 주격조사 반복 유형 처리 시, 노년층의 명사구 2 구간에서 P600효과가 관찰되었으나, 청년층에서는 선행연구 결과에 부합하는 성분들이 관찰되지 않았다. 명사구 2 영역에서 문장 유형과 그룹 간 상호작용이 유의하지 않았던 것은 청년층에서 문장 유형에 따른 뇌파의 차이가 유의하지 않아 상호작용 효과가 희석되었기 때문이라고 해석할 수 있다. 동사 영역에서는 청년층과 노년층에서 모두 지속된 부적성분 (sustained negativity)이 관찰되었으며, 청년층과 비교하였을 때 노년층에서 진폭이 감소되었다. 한국어에서는 문장의 마지막에 위치하는 동사구간에서 주어진 정보를 통합하여 문장의 재분석이 이루어지므로, 관찰된 부적성분은 이러한 통합 효과 (wrap-up effect)에 기인하는 것으로 보인다. 한국어 화자의 격조사 처리 시 연령 그룹에 따라 다른 ERP 양상을 보이는 결과를 종합하여 볼 때, 격조사가 노화에 따른 구문처리 능력 저하를 측정할 수 있는 유용한 지표가 될 수 있을 것으로 보인다.;As the aging population has dramatically increased over the recent years, the number of citizens experiencing age-related language impairments is also on the rise. This has posed the society with a greater concern for communication barriers between the younger and the aging population. A growing body of research on cognitive changes (Baron & Cerella, 1993) and language processing in the aging population reflects this increasing interest in understanding the nature of the age-related decline (Zurif et al., 1995; Kemper & Sumner, 2001; Kemper & Rash, 1988; Kemmer et al., 2004; Caplan et al., 2011; Shafto et al., 2014). However, controversial perspectives on the age-related effects in language processing exist. Some studies suggest that aging is responsible for the language production domain, and that language comprehension remain relatively preserved until the very old age (Horn, 2012; Shafto et al., 2014). Other studies argue that the most affected areas of cognition are attention, memory and working memory (WM) (Craik & Salthouse, 2000), while language and decision making are comparably preserved (Sanfey & Hastie; 2000; Tomasi et al,, 2012; Wingfield & Grossman, 2006). Different perspectives on the age-related features of the language domain brings up the need to investigate the functional mechanisms of the aging brain (Zurif et al., 1995; Caplan et al., 2011; Stine-Morrow et al., 2000). Previous research has focused on age-related slowing in language processing, measured by reaction times. However, behavioral data, such as the RT, is only a measure of the results for the cognitive process. Therefore, in order examine the language comprehension process itself, further investigation on real-time language processing that does not require motor skills is necessary. As of yet, there are comparatively few ERP studies that have examined language processing relative to age (Kemmer et al., 2004), and even fewer studies have examined the processing mechanism in verb-final languages. To gain insight on the age-related changes in the language processing mechanism among the Korean population, the current study focused on syntactic processing, which takes on a greater role in Korean sentence interpretation. Since case marker is the main linguistic feature that provides the syntactic context of the sentence in verb-final languages, case marker violation paradigm was implemented to examine the syntactic processing mechanism of the young and the aging population. The ERP technique is used to investigate neural activities during language processing, as it provides real-time information on the cognitive process (Kutas et al., 2000; Rugg & Coles, 1995). Previous ERP studies on language processing have elicited various language-related components such as the left anterior negativity (LAN), posterior negativity (N400) and later centro-parietal positivity (P600). In ERP studies investigating the effects of case violations in Japanese and German (Mueller et al., 2007; Lamers et al., 2006), the results revealed a biphasic N400-P600 in response to thematic role processing and syntactic processing, respectively. Further study on the processing of syntactic and semantic violations in Korean supports this evidence, eliciting N400-P600 pattern, in addition to a modulated N400 effect in the aging group, suggesting an age-related change in syntactic processing (Sung et al., 2014). The current study investigated whether processing case marker violations in Korean would align with previous results, and whether the induced effects would differ between the young and the aging populations. 23 young and 20 aging population participated in the experiment, and data with below 60% accuracy rates were excluded from analysis. After the removal of artifacts during pre-processing, only the data of 19 young adults (mean age = 27.52, SD = 4.72) and 17 aging population (mean age = 64.17, SD = 2.77) were analyzed. The stimuli consisted of three conditions composed of three phrases; 1) a plausible sentence, 2) a double nominative case marker sentence, 3) a double accusative case marker sentence. Conditions 2 and 3 were case violation conditions, with identical case markers (either nominative or accusative) on NP1 and NP2. In order to examine the age-related difference in case marker processing, accuracy rate and reaction time was analyzed for the behavioral data. Mean amplitude was analyzed regarding the EEG data. A two-way mixed ANOVA was used to look for the significant difference in the behavioral data between two groups. The aging population showed a lower accuracy and a slower reaction time for the task than the younger adults. However, a two-way interaction between sentence type and group regarding accuracy did not reveal a significant difference (F(1,34) = .908, p = 0.392). A two-way interaction between sentence type and group regarding reaction time showed a significant group difference (F(1,33) = 4.916, p = .014). For the ERP measures, NP2 and verb was selected as the critical word type and the mean amplitude for each critical word was analyzed. For NP2, four-way ANOVA generated a significant main effect for laterality. A two-way interaction between anteriorityⅹgroup showed significance in the 100-300ms range, and a significant two-way interaction between anteriorityⅹlaterality showed significance in the 100-300ms and in the 300-500ms range. For the verb, the four-way ANOVA generated a significant main effect for sentence type in the 300-500ms and in the 500-800ms. A significant main effect for laterality was found in the 300-500ms, and for anteriority in the 500-800ms. There was a significant two-way interaction between lateralityⅹgroup and a three-way interaction of laterality x anteriority x group. As hypothesized, ERP results for the current study elicited P600 and N400 for NP2 and verb, respectively, although the pattern did not align with the biphasic pattern from previous studies. While previous results induced a biphasic pattern, with N400 followed by P600 (Mueller et al., 2007; Lamers et al., 2006), current results showed P600 only for the aging population in NP2, and an N400 for both groups in the verb. NP2 results showed a clear age-related difference, while the results for the verb did not indicate a differential pattern between groups. The P600 in the aging group may be interpreted as a consequence of a syntactic load, and the negativity in the verb phase may be referred to as the neural response for sentence integration, which may be a feature unique to the verb-final language. As case marker is a very critical feature in the interpretation of Korean, understanding the neural mechanisms underlying case processing may provide useful information on the language processing strategies used by Korean speakers. Also, validating the differential ERP pattern during case marker processing according to age may lead case markers to serve as a useful index of the age-related decline in language.