The brain is very flexible and easily changed by diverse factors, such as new experience, external stimuli, sensory deprivation, diseases, and even by normal aging. This ability is called as “plasticity” of the brain and it is closely related to development, learning, or degeneration. Previous research has shown that activation of the brain depends on the characteristics of task which is being carried out by a subject. However, none of them dealt with the plasticity of the brain based on the characteristics of task. I hypothesized that task load would influence the functional plasticity of the brain, in other words, induced change in brain activation during certain task would be dependent on the load of the task itself, thus induced change in the brain activation might vary with a load of task and be different even within one task.
For the task, I tested the influences of variability, required power, and complexity of task, respectively. I used Braille reading for variability, hand grasping for required power, and chopsticks handling and fingers tapping for complexity. For variability, reading Braille of three Korean vowels and that of nine Korean vowels were compared. However, these tasks induced similar pattern of the brain activation before and after learning Braille and practicing for sensing Braille with their left index finger tip. Also, change in the brain activation while reading Braille of three vowels following training was similar to that of nine vowels. Commonly, left hemisphere was more activated after training, and this might be related to acquisition of ability to percept Braille as a language.
With the grasping task, the brain activations with 10% and 35% of full power were compared, and there was a difference between two sessions both before and after training, respectively. Interestingly, changing pattern with 10% power following training was opposite of that with 35% power. During grasping of 10% power, left hemisphere was more activated after training even total brain activation area was decreased, however with 35% power, right hemisphere was more activated and total brain activation area was increased.
For the complexity comparison, tasks were performed with the left hand. Chopsticks handling, and index and middle fingers tapping with thumb were chosen as a complex and simple hand movement, respectively. Subjects were asked to practice chopsticks handling with their left hands. Regions activated during fingers tapping and chopsticks handling were similar but stronger activation during chopsticks handling was observed. Regions of brain activation during chopsticks handling after practice were also comparable to that of fingers tapping. However, changes in brain activation following practice were different and might depend on complexity of task. After practice, subjects used more of the right hemisphere of the brain for fingers tapping but for chopsticks handling subject used more of the left hemisphere.
These results showed that there is a dependence of functional plasticity of the brain on task load and that required power and complexity might be components of a task load.
I also studied training-induced changes in the sensory-motor network during resting state. The tasks used were chopsticks handling and fingers tapping. The sensory-motor network was compared in resting state and the constant task state, before and after practice. The constant task state is comparable to resting state but subjects kept tapping fingers or handling chopsticks continuously without break during the imaging sessions.
There was a common activation in the sensory-motor network among three states. After practice, activation increased in the cerebellum, decreased in the cerebrum, and total activation across the brain was also decreased while fingers tapping and chopsticks handling. Also activation in cerebrum was more focused in the right hemisphere, although absolute activation in right hemisphere was also decreased.
Even in the resting state, there was a comparable result about change in the sensory-motor network. Main regions of activation were limited in cerebrum before and after practice, and did not change. However the extent of brain activation was reduced and more focused in the primary sensory and motor area. This was the same as in fingers tapping and chopsticks handling states. Also, the laterality of activation was the same, right hemisphere was more activated relatively.
Resting state networks, especially the default mode network which is the most well-known network among resting state networks, have been studied a lot in various disease, but there is little study about plasticity or change of other resting state networks. This result may represent a possibility of resting state network as an index for one’s ability to perform certain function.
뇌 가소성은 현재 뇌 신경과학분야에서 관심이 집중되는 분야로, 성장, 노화를 비롯한 자연적인 발달과정이나, 학습 및 연습, 그리고 질병 등의 다양한 상황과 밀접하게 관련되어 있다. 뇌는 가변성이 매우 높아 위에서 언급한 다양한 상황들에 따라 구조적, 혹은 기능적으로 변화하여 적응할 수 있다.
몇 연구는 어떤 과제를 수행할 때 일어나는 뇌의 활성화가 그 과제의 특징(복잡도 등)에 따라 다르게 나타난 다는 것을 보이고 있다. 그러나 아직, 이렇게 다르게 나타나는 뇌의 활성화가 뇌 가소성에 따라 또 어떻게 변하는 지에 대한 연구는 진행되지 않고 있다. 따라서, 이 연구의 목표는 연습 및 학습을 통해 기능적인 뇌 가소성이 일어난 후 다시 어떠한 과제를 수행할 때, 수행하는 과제의 작업량에 따라 어떻게 다르게 변하는지, 즉, 기능적인 뇌 가소성이 수행 과제의 작업량에 어떻게 의존하고 일어나게 되는지를 알아보는 것이다.
과제의 작업량을 표현하기 위해, 과제의 변화도(variability), 과제 수행을 위해 필요한 힘(required power), 그리고 과제의 복잡도(complexity)의 세 가지 항목을 생각하였고, 이를 위해 변화도 비교를 위한 점자읽기, 힘 사용을 위한 악력, 복잡도 비교를 위한 젓가락 사용과 손가락 두드리기, 이렇게 각기 다른 그룹으로 나누어 실험을 진행하였다.
점자는 한글의 모음을 사용하여, 점자를 학습하기 전 후에, 주어진 시간동안3개의 모음과 9개의 모음읽기를 비교하였다. 여기에서는 3개와 9개의 점자 읽기에서 fMRI결과상의 차이를 보이지 않았는데, 이는 주어진 시간이 짧아서 9개의 점자를 모두 읽는 것이 불가능하여 3개와 9개의 모음 읽는 것에 큰 차이가 없었던 것으로 보여진다. 그러나 공통적으로 점자를 학습한 후, 언어와 관련된 뇌 영역(Broca’s area)과 점자를 인식하는 데 사용되는 영역들(supramarginal and angular gyrus)이 활성화 되는 것을 확인하였다.
악력 사용의 경우, 악력 최대힘 대비 10%와 35%의 힘을 사용하게 한 후, 악력기르기 연습을 통한 힘 증가 전 후의 결과를 비교하였다. 이 때, 연습을 하기 전 후 10%의 힘을 사용하며 나타나는 뇌 활성화의 변화(기능적 뇌 가소성)를 비교한 결과와 35%의 힘을 사용하며 나타나는 뇌 활성화의 변화를 비교한 결과가 서로 반대로 나오는 것을 확인하였다. 연습한 후에 왼손 악력을 사용하는 동안, 10%의 힘을 줄 때에는 우뇌의 더 많은 영역들이 활성화되고, 35%의 힘을 줄 때에는 좌뇌의 더 많은 영역들이 활성화되는 것이 확인되었다.
복잡도에 따른 차이를 보기위한, 젓가락 사용과 손가락 두드리기 비교의 경우, 왼손 젓가락 연습을 통해 왼손으로 젓가락 사용이 가능해질 때, 젓가락 사용할 때와 이와 비슷한 움직임을 보이나 간단한 움직임인 손가락 두드리기를 수행 할 때 뇌 활성화가 어떻게 변화하는지를 확인하였다. 연습 전에는 두 가지 과제에서 일어나는 뇌 활성화의 정도는 젓가락 사용에서 크게 나오지만, 활성화가 일어나는 영역들은 비슷하였다. 이 후 연습을 한 뒤 일어나는 변화를 확인한 결과, 역시 영역들은 비슷하였으나, 활성화 정도에서 차이를 보이는 것을 확인 하였다. 간단한 손가락 두드리기의 경우 우뇌의 영역들에서 활성화가 커지는 반면, 복잡한 젓가락 사용의 경우 좌뇌의 영역들에서 활성화가 더 커지는 것이 확인되었다.
두 번째 실험으로, 연습을 통해서 휴지기 상태(resting state)에서 나오는 감각 운동 네트워크(sensory-motor network)가 어떠한 변화를 보이는 지를 확인하는 실험을 진행하였다. 휴지기 상태와 비교하여, 계속적으로 젓가락을 사용하거나 손가락을 두드리는 상태(doing state)상태를 이용하여 역시 감각 운동 네트워크를 추출하고 변화를 확인하였다. 이 때의 운동 연습은 앞에서 나온 젓가락 연습과 같은 것이나, fMRI당시 앞 실험에서는 block-design으로 과제를 수행할 때에만 일어나는 뇌 활성화 영역들을 찾았으나, 여기에서는 과제는 지속적으로 수행하고, 이 때에 서로 동기화되어 활성화의 변화를 보이는 영역들 중 감각 운동 네트워크에 포함되는 영역들을 찾아 비교하였다.
연습 전후에, 주로 대뇌 피질에서만 감각 운동 네트워크가 추출되었고, 영역들 자체는 연습에 따라 큰 변화를 보이지 않았다. 그러나 전체적인 뇌 활성화가 제 1 감각영역이나 제 1운동영역으로 좀더 집중되어 일어나는 것이 확인되었고, 전체적인 네트워크의 정도가 줄어드는 것이 확인 되었다. 이 변화는 계속적으로 과제를 수행하는 상태에서만 일어나는 것이 아니고, 휴지기 상태에서도 확인되었다.
현재 휴지기 상태의 네트워크 중, default mode network에 대한 연구가 주로 이루어 지고 있고, 이 연구들은 대부분이 네트워크가 질병 진행에 따라 어떻게 흐트러지게 되는지를 알아내는 데 집중하고 있다. 그러나 이번 실험으로 default mode network뿐 아니라 다른 휴지기 상태 네트워크들이 질병뿐만 아니라 연습이나 학습을 통해 변화함을 확인할 수 있었다. 또 휴지기 상태의 네트워크들 중에서 사람의 각 기능(예를 들면 언어, 인지, 운동 등)에 관계된 네트워크를 추출하면, 이것이 그 사람의 어떤 기능의 능력이나 상태를 표현하는 척도가 될 수 있는 가능성이 있음을 제시하고 있다.
