Our actions are guided by multiple sensory information from the external world in combination with our behavioral goals. These sensory inputs should be temporarily stored to plan future actions to achieve a goal. Thus, working memory is an essential cognitive process for guiding goal-directed behavior. There has been extensive debate regarding the neural nature of working memory representations, whether it is high-level amodal information or sensory features that are dependent on modalities. A recent perspective suggested that working memory representations of different abstraction levels are distributed from the prefrontal cortex to the sensory cortices; however, direct evidence of this has yet to be revealed. In this dissertation, to elucidate the nature of working memory representations in the human brain, the tactile and visual working memory processes were compared through functional magnetic resonance imaging (fMRI). First, a newly developed tactile stimuli delivery system made of MR-compatible materials was validated by demonstrating that desirable neural responses can be measured in the somatosensory cortex or visual cortex while participants conduct tactile and visual object perception tasks. Next, using the verified system, working memory representations of tactile and visual braille patterns of corresponding shapes were directly compared. While tactile and visual item information was stored in each responsible sensory cortex during within-modal working memory, the superior parietal cortex retained shared representations of tactile and visual braille during within-modal and cross-modal working memory. In addition, cross-modal working memory engaged additional cortical regions, such as the prefrontal cortex and the inferior parietal cortex, and the cross-task similarity of neural activation patterns in the superior parietal cortex was higher than that during within-modal working memory. These results suggest a supramodal nature of working memory representations of shape information in the superior parietal cortex even when the task goal was to maintain the information within each modality. In addition, transferring from one modality to another would require additional bridging neural processing in the high-level brain regions. In addition, whether value information, which is presumably independent of modality, associated with either tactile or visual objects is also encoded in the superior parietal cortex was assessed. However, the value representations were not commonly evident in the parietal cortex. The associated value information for both tactile and visual objects was represented in the putamen within the striatum. Together, these findings suggest that supramodal representations observed in the superior parietal cortex are specific to working memory.
인간의 행동은 외부 세계의 여러 감각 정보와 행동 목적에 의해 조절되며, 목표를 달성하기 위한 향후 행동을 계획하려면 감각 기관들을 통해 입력되는 감각 신호들을 일시적으로 저장해야 한다. 따라서 작업 기억은 목표 지향적 행동을 조절하기 위한 필수적인 인지 과정이다. 이러한 작업 기억의 신경 표상의 특성이 추상적인 정보인지 혹은 감각 양식에 따라 다르게 나타나는 감각적 특징인지에 대한 오랜 논의가 있어 왔다. 최근 관점에서는 정보의 차등적인 추상화 정도에 따라 작업 기억 표상이 전전두피질에서부터 감각 피질까지 분포되어 있음을 시사하지만, 이에 대한 직접적인 증거는 아직 밝혀진 바가 없다. 따라서 본 논문에서는 인간 뇌에서 작업 기억 표상의 특성을 설명하기 위하여 기능적 자기공명영상 실험을 통해 촉각 및 시각 작업 기억 과정을 비교했다. 우선, 촉각 및 시각 물체 인식 태스크를 수행할 때 피험자의 체성감각 피질과 시각 피질이 각각의 감각 양식에 특이적인 신경 활성을 나타내는 것을 확인함으로써, 자기공명 호환성 재료로 구성된 새로 개발한 촉각 자극 전달 시스템의 사용성을 검증했다. 다음으로, 검증된 시스템을 활용하여 같은 모양의 촉각 및 시각 점자 패턴에 대한 작업 기억 표상을 직접 비교했다. 각 감각에 해당하는 감각 피질에서 동일 감각 내 작업 기억의 정보가 특이적으로 저장된 한편, 상두정피질은 두 감각 양식 간 교차 작업 기억 테스트 뿐만 아니라 동일 감각 내 작업 기억 중에도 촉각 및 시각 점자의 공통된 표상을 가지고 있는 것을 확인했다. 또한 감각 양식 간 교차 작업 기억에서는 전전두피질 및 하두정피질과 같은 추가적인 뇌 영역들이 관여하였으며, 상두정피질에서 신경활성패턴의 태스크 간 유사성이 동일 감각 내 작업 기억 때에 비해 더 높게 나타났다. 즉, 각 감각 양식 내에서 정보를 유지해야 하는 경우에도 상두정피질에 모양 정보에 대한 초감각양식적 작업기억 표상이 존재하지만, 한 감각 양식에서 다른 감각 양식으로 정보의 전이가 이루어지려면 고수준 피질 영역에서 추가적으로 가교 역할을 하는 신경 처리 과정이 필요하다는 것을 시사한다. 추가적으로, 감각 양식에 관계 없이 추상적인 정보라고 볼 수 있는 물체의 가치에 대한 정보 또한 상두정피질에서 인코딩 되는지 알아보았다. 그러나 가치 표상은 상두정피질에서는 촉각과 시각 공통적으로 유의하게 나타나지 않았고, 선조체 내의 피각에서 촉각 또는 시각 물체에 연결된 가치 정보가 표상되는 것을 확인했다. 이러한 결과는 앞서 관찰된 상두정피질에의 관찰된 초감각양식적 표상이 작업 기억에 특이적일 가능성을 시사한다.
