시선추적을 활용한 노화에 따른 작업기억의 저장 및 처리기능 손상 연구

Abstract

Working memory is essential to auditory comprehension in elderly adults. Thus, understanding of the nature of working memory is important to research and clinical practice to support elderly adults who have cognitive slowing. Working memory can be defined as the capacity to engage simultaneously in the storage and processing of information. Thus, the tasks used to evaluate working memory capacity require a dual-task condition when two tasks(storage trials and processing trials) are performed concurrently. Eye-tracking methods have developed alternative working memory tasks and provided not off-line response measures but also on-line response measures. This current study investigated age-related changes in storage and processing function using the eye movement working memory task(Ivanova & Hallowell, 2012). The goal of the study was to explore the age-related declines in storage and processing functions of working memory in dual-task(storage trials and processing trials) using eye-tracking. The research question is (1) Is there a significant difference accuracy(%) and proportion of fixation duration(PFD) between the two groups according to sentence complexity in the storage trials? (2) Is there a significant difference accuracy(%) and proportion of fixation duration(PFD) between the two groups according to sentence complexity in the processing trials? A total of 39 participants have participated in this study. 22 with younger group(mean age=21.45, SD=3.14) and 17 with elderly group(mean age=66.94, SD=3.58), respectively. Storage items were based on word span task(Sung, 2011). Processing items were based on sentence comprehension task(Sung, 2015). These two trials were performed concurrently. The target image was defined as the image corresponding to the image containing all the items to be recalled(for storage trials) and the verbal stimulus(for processing trials). Participants completed storage and processing trials while their eye movements were recorded by the eye-tracking device. Performance on this task was indexed accuracy(%) by scoring correct items and proportion of fixation duration(PFD) by recording eye movements data. Fixation was defined as a stable position of the eye movement for at least 100ms. Eye-tracking data were analyzed in terms of PFD on the target image, which was defined as total fixation duration allocated to the quadrant with the target image divided by total fixation duration on the screen. In order to examine accuracy and PFD differences between groups on the storage and processing trials, the statistical analyses were conducted. A two-way mixed ANOVA was conducted with a group(younger vs. elderly) as the between-group variable and sentence complexity(active vs. passive) as the within-group variable. The results showed that the elderly group demonstrated significantly less accuracy than a younger group on dual-task. Also, there was a significant group difference in PFD on processing trials. However, there was a no significant group difference in PFD on storage trials. The results suggest that greater age-related decline in processing functions than storage functions of working memory. This is because the processing function of work memory is more sensitive to the reduction of working memory capacity due to aging than the temporary storage function of information. The lack of trade-off in real-time measure between processing and storage suggests that processing did not require more resources for each group. The fact that the sentence complexity of processing trials did not affect the storage trials suggests that the storage and processing functions of working memory have individual resources. Nevertheless, it can be inferred that the reason for the lower accuracy in the elderly group than in the younger group is that the elderly group were ineffective process due to the age-related reduced working memory capacity. The results in this study suggest that elderly adults have difficulty in processing function; especially eye movement working memory task due to reduced resources like as working memory capacity. Further development of the eye movement working memory task may be especially applicable to future investigations of whether working memory capacity limitations in elderly adults are domain-general of specific to linguistic processing. This study could contribute to the development of a combined dual working memory task based on normal adults data. In addition, it could contribute to the study of dual working memory task using eye-tracking in the study of the communication disorders.;급속한 고령화에 대비하여 노년층의 인지 및 언어 변화에 따른 학문적 관심과 체계적인 연구의 필요성이 대두되고 있다. 그러나 정상노화로 인한 언어 능력 저하에 대해서는 확실히 정해진 바 없다. 노년층의 언어 능력에 가장 중요한 요소는 작업기억(Hasher & Zacks, 1988; Salthouse, 1994)이며, 구어(spoken language)를 이해하기 위해서는 청각적 자극을 저장하고 처리할 수 있는 충분한 작업기억(working memory)이 필요하다. 작업기억 용량은 노화에 따라 감소하기 때문에(Daneman & Merikle, 1996; Hultsch,Hertzog, & Dixon, 1990) 임상 현장에서는 노년층의 작업기억 수준에 대해 평가하여 그 수준과 특성에 대해 알고 있어야 한다. 현재 국내에서 노년층을 대상으로 작업기억을 측정할 수 있는 도구들은 주로 숫자폭 및 단어폭 거꾸로 외우기 등의 일시적 저장 및 처리를 측정하는 단순 작업기억 과제이다(강연욱 & 나덕렬, 2003; 송호정 & 최진영, 2006; 성지은, 2011). 선행연구에서는 단순 작업기억 과제의 단점을 보완하고자 자극양식이 다른 3개의 작업기억 과제의 평가를 제안하였다(Waters & Caplan, 2003). 그러나 임상 현장에서 3개의 작업기억 과제를 실시하는 것은 실질적인 제약이 따른다. 다수의 해외 연구에서는 복합 작업기억 과제의 수행력이 작업기억의 타당한 지표(valid indices)임을 확인하였다(Just & Carpenter, 1992; Cowan, 1999; Baddeley, 2000; Towse, Hitch, & Hutton, 2000). 그러나 국내에서 작업기억의 하위요소인 저장과 처리 기능을 모두 측정하여 통합적으로 살펴보는 복합 작업기억 과제에 대한 연구가 제한적으로 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 기존연구들을 보완 및 확장하여 노년층 대상의 복합 작업기억 과제에 대한 연구가 필요하며, 노년층이 작업기억 과제의 정오반응에서 손상을 보였다면 그 원인에 대해 실시간으로 정보의 저장 및 처리 양상을 파악하는 측정 방식에 대한 논의가 필요하다. 작업기억 용량은 뇌의 신경회로망 간 상호작용을 통해 활성화되는 눈의 움직임과 필연적인 관련성이 있다고 알려져 있다(Johnson & Raye, 1998; Parker, Relph & Dagnall, 2008). 본 연구에서는 Ivanova와 Hallowell(2012)의 시선추적 모델을 기반의 복합 작업기억 과제를 통해 노화에 따른 작업기억의 저장기능과 처리기능의 양상을 연구하고자 한다. 선행연구에서는 실어증 환자를 대상으로 하였으나 본 연구의 대상자는 정상 청년층과 노년층이며, 연구도구는 동일하게 안구 움직임 기반의 작업기억 과제(eye movement-based working memory task)이다. 본 연구에는 청년층 22명(평균연령 21.45세, 남: 4명, 여: 18명)과 노년층 17명(평균연령 66.94세, 남: 4명, 여: 13명)이 참여하였으며, 이들을 대상으로 저장과제와 처리과제가 동시에 진행되는 복합 작업기억 과제를 실시하였다. 저장과제(storage trials)는 성지은(2011) 연구에서 개발된 단어폭 지시하기 과제를, 처리과제(processing trials)는 문장이해검사(sentence comprehension test, SCT; 성지은, 2015)를 시선추적 기반 패러다임에 맞게 수정 및 적용하여 실시하였다. 자료 분석은 정반응율과 시선고정비율(Proportion of Fixation Duration, 이하 PFD)을 사용하였다. 저장과제 및 처리과제에서 두 집단 간 문장복잡성에 따라 정반응율과 시선고정비율의 차이가 유의한지 알아보기 위해 이원혼합분산분석(two-way mixed ANOVA)를 실시하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과는 다음과 같다. 첫째, 저장과제에서 노년층의 정반응율이 청년층에 비해 유의하게 낮았다. 문장복잡성에 따른 차이가 유의하여, 피동문과 함께 제시된 저장과제의 정반응율이 능동문과 함께 제시된 저장과제의 정반응율보다 유의하게 낮았다. 이는 과제의 인지적 부담이 커짐에 따라 수행력이 낮아진 것에 기인한다. 능동문에 비해 상대적으로 문장 구조가 복잡한 피동문 처리와 동시에 단어를 회상하는 과정에서 인지적 부담이 높아졌고, 그 결과 능동문과 함께 제시된 저장과제의 정반응율보다 피동문과 함께 제시된 저장과제의 정반응율이 낮아진 것이다. 문장유형이 더 복잡한 조건에서 정반응율이 낮아지는 것은 노년층과 청년층의 모두에게 해당되며 그 감소폭에 있어서는 연령 차이가 유의하게 크지 않았다. 반면, 시선고정비율 분석 결과, 집단에 관한 주효과, 문장복잡성에 관한 주효과, 집단과 문장복잡성의 이차상호작용이 유의하지 않았다. 실시간 처리 과정 중 작업기억의 저장기능에서 연령에 따른 감퇴를 보이지 않은 것으로 해석할 수 있다. 둘째, 처리과제에서 노년층의 정반응율이 청년층에 비해 유의하게 낮았다.피동문의 정반응율이 능동문에 비해 유의하게 낮았다. 청년층에 비해 작업기억 용량이 감소된 노년층의 경우, 문장 처리과정에서 어려움을 겪게 되며 피동문과 같이 복잡한 유형에서 그 차이가 뚜렷하게 관찰된 것이다. 정반응율에서 집단과 문장복잡성의 이차상호작용이 유의하여, 피동문에서 연령에 다른 감소폭 차이가 능동문에서의 연령에 따른 감소폭 차이에 비해 유의하게 큰 것으로 나타났다. 이는 피동문에서 인지적 처리부담이 가중되어 청년층에 비해 노년층이 더 큰 어려움을 보인 것이다. 시선고정비율 분석 결과, 노년층의 시선고정비율이 청년층보다 유의하게 낮고, 피동문의 시선고정비율이 능동문보다 유의하게 낮았다. 반면, 노년층의 능동문과 피동문 간 시선고정비율 감소폭 차이가 청년층에 비해 유의하게 다르지 않았다. 그러나 시선고정비율에서 차이가 드러나지 않았던 저장과제에 비해 처리과제에서는 시선고정비율에서 실시간 작업기억 처리 과정에서 연령에 의한 감퇴가 나타났다는 점에서 의의가 있다. 연구 결과를 종합해보면, 처리과제에서 저장과제에 비해 더욱 민감하게 문장복잡성에 따른 노년층의 수행력 저하가 드러났다. 또한, 노화에 따른 작업기억의 기능의 손상이 처리과제의 실시간 측정치에서 저장과제에 비해 더욱 민감하게 드러났다. 이는 작업기억의 처리기능이 정보의 일시적인 저장기능에 비해 노화에 따른 작업기억 용량의 감소를 더욱 민감하게 증명한 결과라고 볼 수 있다. 본 연구에서는 작업기억의 저장 및 처리 과제가 복합 작업기억 과제의 하위과제로 동시에 진행되었다. 처리과제의 문장복잡성이 저장과제의 시선고정비율에 영향을 미치지 않았다는 것은 작업기억의 저장기능과 처리기능은 개별적인 자원을 가진다는 것을 시사한다. 그럼에도 불구하고 정반응율이 청년층에 비해 노년층에서 유의하게 낮은 이유는 노년층의 감소된 작업기억으로 인해 비효율적인 처리를 했기 때문이라고 예상해볼 수 있다. 본 연구의 임상적 의의는 정상 청년층 및 노년층 데이터 기반의 복합 작업기억 과제 개발에 기여할 수 있을 것이다. 또한, 운동적인 결함으로 인해 기존 작업기억 과제 수행에 어려움이 있었던 말ㆍ언어장애군 대상 연구에서 시선추적을 활용한 작업기억 과제 연구의 기반으로써 기여할 수 있을 것이다.