1Department of Speech Pathology and Audiology, Graduate School at Hallym University, Chuncheon, Korea
2Division of Speech Pathology and Audiology, Research Institute of Audiology and Speech Pathology, Hallym University, Chuncheon, Korea
Correspondence: Ji Hye Yoon, PhD Division of Speech Pathology and Audiology, Research Institute of Audiology and Speech Pathology, Hallym University, 1 Hallymdaehakgil, Chuncheon 24252, Korea Tel: +82-33-248-2224 Fax: +82-33-256-3420 E-mail: j.yoon@hallym.ac.kr
Received December 8, 2025 Revised December 23, 2025 Accepted December 30, 2025
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Abstract
This study aimed to compare the changes in language function and activated brain in normal aging and cognitive decline groups using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). PubMed was searched through October 2025 using keywords related to fNIRS, aging, cognitive decline, and language function/task. A total of 52 studies were selected based on exclusion criteria. 1) Most studies conducted comparisons between young adult and normal elderly groups, between the normal cognitive group and cognitive decline group. 2) The verbal fluency task was the predominant expressive task; lower cognitive status was generally associated with reduced language performance and cortical activation. In comprehension tasks, young adults showed equal or better performance than normal aging adults, but the latter group showed greater neural activation. And 3) the most frequent activation and inter-group differentiation were observed in the frontal lobe, particularly within the inferior frontal cortex (included Broca’s area), dorsolateral prefrontal cortex, and the frontopolar cortex. fNIRS-based analysis of language-related hemodynamic responses in normal aging and cognitive impairment suggests a correlation between language function and brain activation, offering a scientific basis for future assessment and intervention.
정상 노화 과정에서는 신체의 구조 및 기능적 변화와 더불어 뇌의 신경세포나 활성화 저하로 인해 인지 기능에도 점차적인 변화가 관찰된다. 노화로 인한 인지 기능 변화로는 기억력 감퇴가 주로 보고되지만 언어 기능에서도 저하가 관찰될 수 있는데[1], 특히 언어 이해 측면보다는 어휘 인출(단어 찾기, word finding), 고유 명사 회상, 음운과 철자의 처리 및 산출 등 언어 산출 측면에서 기능 변화가 더욱 두드러지게 나타난다[2]. 이러한 현상은 대상자 스스로는 인지 기능의 저하를 주관적으로 호소하나 표준화된 인지 검사를 통해 정상 인지 기능에 해당하는 것이 객관적으로 확인된 주관적인지저하(subjective cognitive decline, SCD)에서도 흔히 보고된다. 선행 연구에 따르면 SCD 단계의 노인은 인지 저하를 호소하지 않는 노인보다 이름대기나 구어 유창성 과제(verbal fluency task, VFT) 등의 언어 생성 능력이 다소 낮은 것으로 나타났으며[3], 더 나아가 알츠하이머성 치매(Alzheimer’s dementia, AD)로 진행할 위험성이 약 2.17배 더 높은 것으로 보고되었다[4].
또한 종합신경심리검사에서 객관적인 인지 기능 저하를 보이므로 SCD와는 구별되는 경도인지장애(mild cognitive impairment, MCI)의 경우 선별 수준의 인지 기능 검사에서는 정상 범위에 해당되며 일상생활 수행 능력은 비교적 보존되어 있어 AD의 전임상 단계로 간주된다[5]. MCI 단계에는 객관적인 인지 저하가 시작되므로 VFT 수행력이 유의하게 저하되고 문장 수준의 그림 설명 과제에서 사용하는 단어 수가 제한되며 같은 단어를 반복하여 산출하는 등 AD와 유사한 언어 산출 양상이 나타나기 시작한다[6]. MCI 집단에서는 매년 약 8~15%가 AD로 전환되며[7], 이로 인해 SCD와 MCI는 AD로 진행될 위험성이 높은 하나의 연속선상에 위치하는 단계로 간주된다. 따라서 AD로 진행하기 전에 퇴행의 연속선상에서 조기 감별을 통해 신경 퇴행 및 인지 저하의 진행을 늦추고 예방하려는 각 분야의 노력이 활발히 이어지고 있다. 언어병리학적 측면에서는 전통적으로 각 단계별 조기 진단을 위하여 이들에게서 정상적인 노화와 구분되는 언어 증상을 다양한 언어적 과제를 통해 확인하는 방식의 연구가 시도되었다[1].
한편 신경 영상 기술의 발전에 따라 1988년 최초로 양전자방출단층촬영(positron emission tomography, PET) 기법을 활용하여 청각 및 시각적 단어 처리 시 활성화되는 뇌 영역을 확인한 연구[8]가 발표된 이후 언어 관련 뇌 활성화 양상을 통해 언어 증상뿐만 아니라 뇌 자체의 변화를 확인하려는 후속 연구들이 이어졌다. 그 결과 임상 증상이 매우 경미한 상태에서도 뇌 활성화 저하가 확인되거나 대상자들의 행동적 임상 평가에서 관찰되는 언어 수행 수준이 유사하여도 뇌 활성화 양상에는 차이가 나타날 수 있음을 확인하게 되면서 이러한 불일치가 조기 선별에 중요한 단서가 될 수 있음에 주목하였다. 또한 뇌의 퇴행적 영향을 받지 않는 청년층에서는 언어 수행 시 좌우 반구가 명확하게 구분되어 활성화되는 뇌의 편측화(lateralization) 양상이 나타나지만 노화 및 인지 저하 집단에서는 신경 인지 자원의 감소를 보상하거나 신경 효율성의 저하로 인해 양측 반구가 함께 활성화되는 현상(hemispheric asymmetry reduction in older adults)이 관찰되었다[9]. 주목할 점은 뇌의 노화나 병리적 변화가 있더라도 인지 과제를 효율적으로 수행할 수 있는 능력인 인지적 예비능(cognitive reserve)이 높을 경우 뇌의 보상성 및 재구성 기전을 발휘하여 임상적으로 인지 저하가 잘 드러나지 않을 수 있다는 것이다. 이러한 인지적 예비능은 긍정적으로 작용될 수 있으나 치매 증상이 나타나기 시작하면 오히려 인지 저하 속도가 더 빠르게 진행된다는 연구 결과도 제시되었다[10]. 이는 단순히 임상 검사에서의 수행력의 고저로 확인되는 측면뿐만 아니라 기저에 있는 뇌의 변화나 활성화 양상의 특이성 등을 다각적으로 확인하는 것이 인지 저하의 본질과 특성을 확인하는 데 중요함을 보여준다.
언어와 관련된 뇌의 기능을 확인하는 전통적인 방법으로는 주로 병소 연구를 통해 이루어졌는데 뇌 손상에 의한 실어증 환자들의 언어적 특성을 통해 언어중추인 브로카 영역과 베르니케 영역에서의 언어적 기능이 발견된 1860년대 이후로 언어의 이해 및 산출에 관여하는 특정 뇌 영역이 지속적으로 증명되었다[11]. 이를 통해 언어 기능은 주로 좌반구에 편측화되어 있으며 언어 이해를 담당하는 베르니케 영역이 포함된 좌측 측두엽과 언어 산출에 관여하는 브로카 영역이 포함된 좌측 전두엽 간의 연결로 언어 처리가 이루어짐을 알게 되었다. 이러한 연구는 주로 병소 부위에 대한 구조적 구현에 특화된 뇌 영상 기법인 컴퓨터 단층 촬영(computerized tomography)과 자기공명영상(magnetic resonance imaging) 등에 의해 시행되었다. 이후 뇌 영상 기법의 발달로 국소적 병소가 두드러지지 않는 개인에서도 뇌의 연결성이나 활성화를 관찰할 수 있게 되었으며 특히 기능적 확인에 특화된 뇌 영상 기법인 기능적자기공명영상(functional magnetic resonance imaging, fMRI)과 PET 등이 각광을 받았다. 이러한 기법들은 뇌 활성화 정도나 관련 영역을 파악하는 데 기여했으나 검사 도중 발생하는 움직임에 의한 영상의 왜곡 현상(motion artifact) 때문에 실시간 과제 수행 중 뇌의 활동을 직접적으로 관찰하기에는 한계가 존재한다. 더불어 검사의 용이성 및 휴대성 측면에서 fMRI나 PET는 대형 장비이므로 해당 기기가 있는 병원이나 전문 기관에서만 검사가 가능하며 거동이 불편한 노인이나 어린 아동, 폐쇄 공포증 환자 등 일부 집단은 검사를 받는 데 어려움이 있다. 또한 침습적 측면에서 PET의 경우 방사선 동위원소를 체내에 투여해야 하므로 방사선 노출의 위험성도 존재한다[12].
반면에 근적외선 분광법(near-infrared spectroscopy, NIRS)은 신체에 비침습적으로 근적외선 빛을 투과하여 산소화 헤모글로빈(HbO)과 탈산소화 헤모글로빈(HbR)의 농도 변화를 확인하는 기술이다. 본래 근육이나 순환계 등의 연구에서 우선적으로 활용되었으나 이후 뇌 기능 연구로 확장되면서 NIRS의 원리를 활용한 기능적 근적외선 분광법(functional nearinfrared spectroscopy, fNIRS)으로 발전되었다. 1977년에 최초로 고양이 뇌에 근적외선 빛을 조사하여 산소 공급량, 조직의 혈액량 변화, 평균 HbO와 HbR 지표를 임상 및 연구 환경에서 효과적으로 측정할 수 있다는 점이 확인되었다[13]. 이후 이러한 방법은 인간을 비롯해 인간의 뇌와 유사한 동물들의 특정 피질 측정에도 널리 활용되기 시작하였다[14]. 이를 통해 과제 수행 중 뇌에서 나타나는 활동을 간접적으로 예측할 수 있게 되어 최근에는 언어 기능을 포함한 다양한 인지 과정 연구에서 fNIRS가 활발히 활용되고 있다. fNIRS는 전통적 기법인 fMRI나 PET에 비해 피질하 구조의 관찰이 제한적이고 두피나 모발로 인한 측정의 한계가 지적되기도 하나 휴대성이 뛰어나 다양한 환경에서 측정이 가능하고 움직임을 동반한 과제 수행(예: 걷기, 앉았다 일어나기 등) 중에도 왜곡 현상을 최소화하여 뇌 활동을 확인할 수 있는 장점을 갖는다. 또한 방사선에 대한 노출 및 누적 위험이 없으므로 다양한 신경학적 질환 환자들뿐만 아니라 진단적 이점으로 인해 방사선 노출을 감수할 필요가 없는 정상 노인의 뇌 활성화 측정에도 널리 활용되고 있다.
fNIRS를 활용하여 파킨슨병이나 근위축성측삭경화증 등과 같은 특정 질환군[15]에 따른 언어, 인지 및 운동 기능의 뇌 활성화 양상(예: 구어 유창성, N-Back 과제, 걷기+인지 과제 실시 등)을 다룬 다수의 문헌들과 아동기에서 시작되어 전생애에 걸쳐 영향을 미치는 질환(예: 자폐스펙트럼장애, 난청)의 뇌 활성화를 고찰한 연구들이 보고되고 있다[16]. 정상 노화 과정에서는 휴식 시 상태와 감각 인지ㆍ운동ㆍ정서 등 다양한 영역의 과제 수행 시 나타나는 전반적인 뇌 활성화를 확인한 연구도 보고되었다[17]. 이러한 연구들은 주로 명확히 구분되는 질환군이나 연령군 간의 차이에 초점을 두고 있다. 한편 정상 노인(normal elderly, NE)과 MCI 간의 뇌 기능 연결성을 대상으로 질적 및 양적 분석을 시도한 체계적 문헌고찰 및 메타 분석 연구도 보고되었다[18]. 그러나 양적 분석이 가능한 개별 연구 수가 제한적이었으며 해당 연구에서도 휴식, 보행, 작업 기억, 구어 유창성 과제를 포괄적으로 포함하고 있어 인지 저하에 따른 언어 기능 변화에 초점을 둔 분석에는 제한이 있었다. 이와 더불어 실제로 언어 및 인지 능력이 저하되더라도 일상생활에 큰 지장을 주지 않는 경우 ‘정상 노화’로 여겨 병원에 내원하지 않는 경우가 많다. 선행 연구에 따르면 간단한 선별 검사를 통하여 NE로 간주된 27명을 대상으로 종합신경심리검사를 진행한 결과 92.6%가 MCI에 해당하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 세밀하고 종합적인 검사를 받지 않을 경우 치매로의 진행 위험성이 간과될 수 있음을 시사한다[19]. 또한 일상적으로 혹은 선별 검사만으로 정상 노화 과정에 있다고 생각되는 대상자가 반드시 정상 인지 기능을 가진다고 단정할 수 없음을 의미하므로 노년층 대상자의 경우 정상 인지와 인지 저하를 각각 별개의 대상군으로 바라볼 것이 아니라 NE-SCD-MCI-AD로 이어지는 연속선상에서 이들의 인지 기능의 변화를 이해할 필요가 있다. 그럼에도 불구하고 이러한 연속선상의 관점에서 언어 기능 변화와 이에 따른 뇌 활성화 양상을 종합적으로 비교한 연구는 전무한 실정이다. 이에 본 연구에서는 1) 과제 유형에 따라 활성화되는 뇌 영역을 확인하고, 2) NE, SCD, MCI, AD 집단 간 언어 수행력과 fNIRS를 통한 뇌 활성화 양상의 상관성을 분석하며, 3) 이를 바탕으로 집단 간 변별력이 높은 뇌 활성화 영역을 도출하는 것을 목표로 한다.
MATERIALS AND METHODS
문헌 검색
언어 과제 수행 중 노화 및 인지 저하의 진행 수준에 따른 뇌 활성화 양상을 확인하기 위하여 NE, SCD, MCI, AD 집단을 대상으로 언어 기능을 살펴본 fNIRS 활용 문헌을 검색하였다. 현재 국내에서는 언어 기반 fNIRS 연구가 아직 초기 단계에 머물러 있으므로 본 연구에서는 국외 문헌을 대상으로 체계적 고찰을 수행하였다. 문헌 검색을 위한 엔진은 PubMed를 이용하였으며 문헌 검색 시 출판 연도, 연구 유형, 언어 등의 추가적인 필터는 적용하지 않았다. 주요 검색어는 ‘NIRS’, ‘fNIRS’와 ‘elderly’, ‘SCD’, ‘MCI’, ‘AD’ 등 대상자 관련 검색어 14개, ‘language’, ‘speech’, ‘reading’, ‘writing’, ‘comprehensive’ 등 언어 기능 및 과제와 관련된 검색어 46개로 총 120개의 검색어를 각각 조합하였다(Table 1).
문헌 선정
정상 노화 및 인지 기능 저하 진행 단계에 따른 언어 관련 뇌 활성화 양상을 확인하고자 Moher, et al. [20]의 Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses 가이드라인을 준수하였으며 다음과 같은 제외 기준을 적용하였다(Figure 1). 해당 가이드라인에 따라서 검색된 7,061편의 문헌 중 중복된 문헌(n = 3,980), 열람이 불가하거나 철회된 문헌(n = 37), fNIRS를 활용하여 뇌의 활성화를 확인하지 않은 문헌(n = 547), 영어로 작성되지 않은 실험 연구, 중재 연구 및 증례 보고 문헌 (n = 430), 노인이나 인지 기능의 저하를 보이는 퇴행성 질환 환자를 대상으로 하지 않은 문헌(n = 1,657), 언어 과제 도중의 뇌 활성화를 확인하지 않은 문헌(n = 356), 언어 과제의 행동학적 결과나 뇌 활성화 결과 중 하나라도 제시하지 않은 문헌(n = 2)을 제외하였다. 위와 같은 기준을 통하여 1996년 1월부터 2025년 10월까지 약 30년간 출간된 52편의 문헌이 최종적으로 분석에 포함되었다.
RESULTS
총 52편의 연구가 분석에 포함되었으나 동일한 연구 참가자와 과제를 적용한 2편의 연구는 중복으로 판단하여 1편의 연구로 간주하였다. 이에 따라 연구 대상자 및 과제 유형 분석에 대한 분석은 51개의 연구를 기준으로 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
연도별 분석
최종적으로 선정된 52편의 논문 출판 편수를 10년 단위로 분석하였다. 그 결과 1996~2005년도 4편, 2006~2015년도 15편, 2016~2025년도 33편이 보고되어 fNIRS를 활용하여 정상 노화 및 인지 저하 노인의 언어 사용 시 뇌의 혈역학적 변화를 측정하는 연구가 지속적으로 증가하고 있었다.
연구 대상자별 분석
본 연구에서는 NE, SCD, MCI, AD의 네 집단을 주요 관심 집단으로 설정하였다. 이 외의 집단(예: 루이소체 치매, 전두측두 치매, 혈관성 MCI 등)이 포함된 비교 연구의 경우에도 해당 연구에서 보고된 결과 중 네 집단에 해당하는 언어 수행 및 뇌 활성화 결과만을 선택하여 분석하였다. 또한 일부 연구는 정상 노화 또는 인지 저하 집단과의 비교를 목적으로 청년(young adults, YA) 집단을 통제군으로 설정한 경우가 많아 주요 분석 대상이 YA가 아니라 노년층의 통제군으로 활용된 경우에는 분석 대상 논문으로 포함하였다(Table 2).
총 51개의 연구 중 단독 집단을 대상으로 한 연구는 9편이었으며 NE 집단 6편, AD 집단 1편, MCI 집단 1편, 치매가 아닌 노인 집단(non-demented elderly) 1편으로 정상 노화에 대한 연구가 가장 많은 비중을 차지하였다. 또한 두 개 이상의 집단을 비교한 연구에서는 NE-YA 집단 간, MCI-NE 집단 간을 비교한 연구가 8편으로 가장 많았고 그 외에 AD-NE 집단(7편), ADMCI-NE 집단(4편) 순으로 나타났다.
주요 연구 대상만을 각각 독립적으로 분류하여 집계한 결과 NE 집단(40편)을 포함한 경우가 가장 많았고 MCI 집단(20편), AD 집단(20편), YA 집단(11편), SCD 집단(3편) 순으로 나타나 SCD 집단을 대상으로 한 연구가 상대적으로 적었다.
언어 과제 유형 분석
fNIRS를 활용한 연구에서 언어 과제의 활용 양상을 확인하고자 언어 표현 과제와 이해 과제로 구분하여 분석하였으며(Table 3), 단일 연구에서 복수의 언어 과제를 사용한 경우에는 각 과제를 독립적으로 분류하여 각각 계수하였다. 51개의 연구에서 표현 과제가 총 66회, 이해 과제는 4회 활용되었다. 표현 과제의 경우 생성이름대기 능력을 확인하는 구어 유창성 과제(VFT) 61회, 보스톤 이름대기 검사(Boston naming test, BNT)를 포함한 대면이름대기 과제 2회, 우리나라의 ‘끝말잇기’와 유사한 형태인 일본의 시리토리 과제(Shiritori), 자동구어산출 과제, 짧은 설명글 소리 내어 읽기 과제는 각각 1회씩 계수 되었다. 가장 많은 활용 빈도를 보인 구어 유창성 과제의 경우 의미 유창성 과제(semantic VFT, SVFT) 30회, 음소 유창성 과제(phonemic VFT, PVFT) 28회로 확인되었다. 또한 중국의 VFT로 일정 단어가 포함된 다양한 구절을 생성하는 구절 유창성(phrase VFT) 과제도 2회 활용되었다. 이 외에 VFT의 종류나 문항을 제시하지 않은 경우는 미분류(unclassified) 1회로 계수 되었다. 이해 과제의 경우 이야기 담화 이해 과제가 2회로 가장 많았고 삼단 논법의 추론 과제와 어휘 판단 과제는 각각 1회씩 활용되었다. 연구 과제를 언어학적 단위 측면으로 분류한 결과 단어 수준 64회, 구절 수준 2회, 담화 수준 4회로 나타나 fNIRS를 활용한 연구에서 단어 수준의 과제가 가장 빈번히 활용되는 것으로 확인되었다.
언어 과제 별 뇌 활성화 영역
병리적인 뇌의 변화는 정상 뇌에서 관찰되는 활성화 양상과의 차이가 나타날 수 있으므로 환자군의 뇌 활성화를 비교 및 해석하기 위해서는 정상 집단의 활성화 특성을 우선적으로 확인할 필요가 있다[21]. 본 종설에서는 각 연구에서 설정한 기준값(baseline)보다 통계적으로 유의미한 활성화 영역뿐만 아니라 과제 수행 시 측정된 활성화된 값에서 기준값(baseline)을 뺀 값이 양수로 나타난 영역, 즉 활성화 증가 양상을 보이는 뇌 영역을 함께 분석에 포함하였다. 이러한 영역은 fNIRS 측정을 통해 잠재적으로 의미 있는 신경 반응을 반영할 가능성이 있다고 판단하였다. 이에 따라 정상 인지 집단(YA, NE, SCD)을 대상으로 언어 과제별 관련된 뇌 활성화 영역을 확인해 본 결과(Appendix 1) SVFT 수행 시 주로 하전두회(inferior frontal gyrus, IFG)와 하전두 접합부(inferior frontal junction), 등외측 전전두피질(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC) 등의 전두엽 영역에서 활성화가 관찰되었다. 더불어 일부 연구에서는 전두측두피질이나 좌측 베르니케 영역에서도 활성화가 보고되었다. PVFT 수행 시에도 유사하게 IFG, DLPFC 등 전두엽 영역에서 활성화되었으나 SVFT와 비교하여 측두엽 및 두정엽 영역에서의 활성화 보고가 보다 빈번하게 나타났다. 이해 과제인 어휘 판단 과제는 YA 집단에서 가짜 단어(pseudo word) 자극 처리 시 좌측 IFG의 활성화가 나타났으며 NE 집단에서는 의미 단어 처리 시 우측 IFG와 상측두회(superior temporal gyrus)의 접합 부위인 좌측 전두엽에서의 활성화가 확인되었다[22]. 또한 이야기 담화 이해 과제에서는 좌측 DLPFC, 전두극피질(frontopolar cortex, FPC), 브로카 영역과 우측 하전두영역 외에도 좌측 중측두회, 전운동 및 보충 운동피질, 좌측 방추상회(fusiform gyrus), 우측 전두엽 등 다양한 영역에서 유의미한 활성화가 보고되었다[23,24].
기준값 대비 활성화 증가 양상이 나타난 영역을 살펴보면 주로 FPC나 브로카 영역을 포함한 전두엽 영역에서 활성화 값이 양수로 나타나는 경향이 확인되었다. 구절 유창성 과제에서는 양측 DLPFC, FPC, 브로카 영역 외에도 양측 전운동 영역, 보충 운동 영역, 측두엽에서 활성화 증가 양상이 확인되었으며[25], 시리토리 과제에서도 양측 DLPFC, FPC와 두정엽 연합 영역에서 활성화 증가가 관찰되었다[26]. 마지막으로 삼단 논법의 추론 과제의 경우 YA와 NE 집단 모두에서 양측 IFG의 활성화 증가가 보고되었고[27], 짧은 설명문 읽기 과제에서는 YA 집단에서만 좌측 전전두엽피질에서의 활성화 증가 양상이 나타났다[28].
언어 수행력과 뇌 활성화 간의 관계
언어 수행력 및 뇌 활성화 간의 관계성을 파악하기 위하여 언어 과제에 대한 행동학적 수행 결과와 뇌 활성화 결과를 모두 제시한 문헌을 중심으로 분석하였다(Appendix 2, 3). 먼저 인지 수준에 따른 집단 비교 결과, 다수의 과제에서 인지 수준이 낮은 집단일수록 언어 수행 능력과 뇌 활성화가 모두 저하되는 경향을 보였다. 그러나 일부 연구에서는 행동학적 수행과 뇌 활성화 양상 간의 불일치가 나타났다. SVFT 과제에서 인지 수준이 낮은 집단일수록 과제의 수행력이 저하되는 양상(probable AD < YA, MCI < NE, mild AD < MCI < NE)을 보였지만 뇌 활성화의 경우 집단 간 차이가 관찰되지 않았다(probable AD = YA, MCI = NE, mild AD = MCI = NE) [29-33]. 또한 PVFT 과제에서도 인지 수준이 낮은 집단에서 과제 수행 능력이 더 저하되었으나(probable AD < YA, AD < NE), 뇌 활성화 정도에는 유의미한 차이가 나타나지 않았다(probable AD = YA, AD = NE) [30,34,35]. 반대로 언어 수행력에서는 인지 수준에 따른 두 집단 간의 유의한 차이가 나타나지 않았으나(MCI = NE), 뇌 활성화 정도에서는 두 집단 간 차이가 확인되는 불일치 양상도 존재하였다(MCI < NE) [36].
한편 연령에 따른 집단 비교를 하였을 때 PVFT에서 NE 집단과 YA 집단 간 언어 수행력과 뇌 활성화 모두에서 유의미한 차이가 나타나지 않은 결과도 보고되었다(NE = YA) [37]. 그러나 대부분의 SVFT 및 PVFT 과제에서는 YA와 NE의 행동학적 수행은 유사하였음에도 불구하고 YA 집단에서 더 높은 뇌 활성화가 관찰되었다[37,38]. 그러나 이야기 담화 이해 과제에서 YA 집단이 언어적 수행에서 NE 집단보다 우수하거나 동등한 수준을 보였음에도 뇌 활성화에서는 두 집단 간 차이가 없거나 오히려 NE 집단에서 더 높은 활성화가 나타나는 대조적인 양상이 보고되었다[23,24]. 삼단 논법의 추론 과제의 경우 논리적 결론과 일반적 신념이 일치하는 조건에서는 YA 집단과 NE 집단의 유의미한 차이가 없었으나 논리적 결론과 신념이 불일치하는 추론 조건에서는 YA 집단이 더 높은 수행 능력을 보였다. 뇌 활성화 측면에서는 YA 집단의 경우 우측 반구가 좌측보다 더 높은 편측 활성화가 나타난 반면 NE 집단에서는 양측 활성화가 관찰되었다[27]. 단어 수준의 어휘 판단 과제에서는 집단 간 뇌 활성화 비교를 시행하지 않고 그 양상을 집단 별로 각각 확인하였을 때 YA 집단은 가짜 단어 자극, NE 집단은 의미 단어를 처리할 때 활성화가 두드러져 과제 처리 전략에 따른 신경학적 차이가 확인되었다[22].
집단 간 뇌 활성화 변별 가능 영역
먼저 인지 수준에 따른 집단 간 뇌 활성화의 차이를 확인하기 위하여 통계적으로 유의한 차이가 관찰되는 뇌 영역을 모두 제시한 문헌을 중점적으로 분석하였다(Appendix 2). 대부분의 언어 과제에서 전두엽은 집단을 변별해 주는 영역으로 보고되었으며 특히 DLPFC와 FPC, 브로카 영역을 포함하는 하전두피질(inferior frontal cortex, IFC)이 변별 영역으로 빈번하게 보고되었다.
이외의 추가적으로 변별이 관찰된 영역으로는 생성이름대기 과제 중 SVFT 과제에서 인지 저하가 나타남에 따라 안와전두피질(orbitofrontal cortex, OFC)과 복외측 전전두엽(ventrolateral prefrontal cortex) [39], 전운동피질 및 보조 운동 영역(supplementary motor area, SMA) [40,41]에서 활성화 저하가 나타나 집단 간 유의미한 변별이 가능하였다. 또한 인지 저하 집단에서는 전두엽의 기능적 연결성 감소와 반구 편측화가 소실되는 양상이 확인되어 집단 간 변별이 가능하였다[12,30,33,42-45]. 그러나 PVFT 과제에서는 인지 저하와 함께 전두측두피질(frontotemporal cortex) [46]과 두정엽[36,47]에서 활성화 감소가 관찰되었으나 일차 체감각피질(primary somatosensory cortex)을 포함하는 영역에서는 오히려 활성화가 증가되기도 하였다[40].
대면이름대기 과제인 BNT에서는 MCI가 NE와 SCD보다 좌측 OFC-좌측 DLPFC와 우측 OFC-좌측 내측 전전두피질(medial prefrontal cortex) 간의 낮은 기능적 연결성을 보여 변별이 가능하였다[44]. 또한 시리토리 과제에서 AD 집단은 NE와 MCI 단계로 가정되는 집단 중 비교적 높은 인지 점수를 보인 집단(intermediate group with high score)에 비해 DLPFC와 FPC, 좌측 두정연합피질에서 낮은 활성화 수준을 보였으나 MCI 단계로 가정되는 집단 중 낮은 인지 점수를 보인 집단(intermediate group with low score)과는 유사한 수준의 활성화를 보였다[26].
한편 연령에 따라 변별되는 주요 영역을 확인해 본 결과(Appendix 3) SVFT에서는 좌측 또는 양측 전전두엽(PFC)에서[28,38], PVFT의 경우 전방 SMA에서 노화에 따른 활성화 감소가 관찰되어 NE 집단과 YA 집단의 뇌 활성화 변별이 가능하였다[37]. 담화 수준의 이해 과제에서는 텍스트 읽기 시 좌측 DLPFC, FPC 및 브로카 영역의 덮개부(pars opercularis)에서 간단한 추론을 요구하는 거시적 명제 수준의 담화 처리를 할 때는 우측 전두엽에서 NE 집단의 활성화가 YA 집단보다 더 높게 나타났다[23,24]. 또한 삼단 논법 이해 과제는 하전두회(IFC)에서의 활성화 양상이 집단 간 변별 지표로 작용하였는데 YA 집단은 우측 편측화, NA 집단은 양측 활성화 양상을 보여 서로 다른 편측화 특성을 나타냈다[27]. 더불어 단어 수준의 어휘 변별 과제의 경우 YA 집단에서 DLPFC, IFG 영역의 활성화는 감소하였으나 NE 집단에서는 우측 후방 중측두회, 후두측두회에서의 활성화 증가가 확인되었다.
DISCUSSIONS
본 연구는 fNIRS를 통해 정상 노년층 및 인지 저하 집단의 언어 과제 수행 중 관찰되는 뇌 혈류역학적 반응을 확인함으로써 언어 기능의 신경생리학적 근거를 탐색하고자 하였다. 1990년대부터 최근까지 이루어진 약 30여 년 간의 연구 동향을 검토한 결과 fNIRS가 정상 노화뿐 아니라 병리적 인지 저하 집단의 언어적 기능 변화를 탐지하는 데 유용한 측정 도구로 꾸준히 활용되어 왔음을 확인하였다. 또한 본 연구에서 분석한 51개의 연구 중 비교 대상 집단 측면에서 NE-YA 집단 간 비교가 가장 빈번하게 보고되어 정상 노화 과정에서의 뇌 활성화 변화 양상을 파악하는 데 연구적 관심이 집중되어 있음을 알 수 있었다. 더불어 NE 집단과 MCI 및 AD 집단 간의 비교 연구도 다수 보고되어 정상 노화를 기준으로 병리적 인지 저하를 변별하려는 시도도 활발하게 이루어지고 있음을 확인하였다. 그러나 최근 더욱 주목을 받고 있는 SCD 집단을 대상으로 한 연구는 상대적으로 드물게 확인되었다. SCD는 일상생활에 지장이 없으며 인지 능력의 저하가 없는 상태에서 주관적으로만 어려움을 호소하기 때문에 병원에 스스로 내원하지 않는 경우 정확한 진단을 받기 어렵다. 따라서 병원에 내원하여 객관적으로 검사를 받은 이들을 대상으로 하기 때문에 상대적으로 연구가 저조했던 것으로 생각된다. 그럼에도 불구하고 주관적으로 인지 저하를 호소하는 SCD는 매년 약 6.6%가 MCI로, 2.3%가 AD로 진행되는 것으로 보고되며, 이들을 4년 이상 장기 추적할 경우 MCI와 AD로의 이환 비율이 각각 약 26.6%와 14.1%까지 높아지게 된다[48]. 이러한 장기적인 전환 가능성은 SCD 단계부터 조기 진단의 필요성을 보여주므로 SCD를 대상으로 한 조기 진단 및 평가 체계 마련이 중요하다. 특히 BNT 수행 시 NE 집단보다 행동학적 점수가 유의하게 낮았던 결과는 이들이 NE와는 다른 언어적 프로파일을 가질 수 있음을 시사한다[44].
언어 과제 수준에서 문헌을 분석하였을 때 표현 언어 과제 중 VFT가 가장 보편적으로 활용되었으며 언어학적 단위에 따라 분류하였을 때는 단어 수준의 과제가 구절 및 담화 수준의 과제보다 일반적으로 더 많이 사용되었다. 이는 짧은 과제를 반복적으로 제시하는 방식이 보다 명확하고 안정적인 혈류역학적 반응을 확인하는 데 효과적임을 보고한 선행 연구[49]에 기반한 결과로 예상된다.
언어 과제 수행 시 관여하는 뇌 영역
전통적으로 좌측 IFC의 브로카 영역은 언어 산출, 좌측 상측 두엽피질(superior temporal cortex)의 베르니케 영역은 언어 이해를 담당하며 이 두 영역은 궁상다발(arcuate fasciculus)을 통해 기능적으로 연결되어 있다고 알려져 왔다[11]. 그러나 최근 뇌 영상 연구에 따르면 언어 처리를 할 때는 브로카-베르니케 영역뿐만 아니라 좌측 전전두엽과 좌측 하측두회, 중측두회, 각회(angular gyrus), 방추상회(fusiform gyrus) 등 보다 광범위한 언어 네트워크가 함께 관여한다는 점이 보고되고 있다[50]. 이에 본 고찰에서는 언어 과제 유형에 따라 반복적으로 활성화되거나 다수의 연구에서 활성화 증가 양상을 보인 뇌 영역을 중심으로 정리하고 해당 영역의 기능적 역할을 함께 고찰하고자 하였다.
다양한 언어 과제 수행 시 나타나는 fNIRS 기반 뇌 활성화 양상을 종합적으로 살펴본 결과 기존 연구들은 대부분 전두엽 영역을 중심으로 활성화를 측정하였으며 이에 따라 과제별로 관여하는 뇌 영역이 유사하게 나타났다. 공통적으로 언어 탐색 및 생성 과정에서 IFG(브로카 영역 포함), DLPFC와 FPC 등이 관여하는 것으로 확인되었다. IFG 내에 위치한 브로카 영역은 음운적 처리, 발화의 실행에 관여하는 덮개부(pars opercularis)와 의미적 검색 및 어휘 선택을 담당하는 삼각부(pars triangularis)로 구성되어 있어[51], 단어 생성 전 단계에서 어휘와 음운적 처리의 변환을 통합하는 핵심적인 역할을 수행한다[52]. 또한 DLPFC의 경우 직접적으로 언어 처리를 다루는 영역은 아니지만 언어 과제를 수행하기 위해 필요한 전환(switching) 및 억제(inhibition), 계획(planning), 작업기억(working memory) 등의 상위 인지 기능을 조절하기 때문에 다양한 언어 과제에서 뇌 활성화가 나타난다. 더불어 DLPFC는 복측 언어 경로와의 연결을 통해 의미 처리에 보조적 역할을 하며 배측 언어 경로와의 연결을 통해 조음 음운 및 통사적 언어 처리에 간접적인 기여가 보고되었다[53]. 한편 많은 언어 과제에서 활성화 증가 양상이 나타난 FPC는 구조적으로 DLPFC의 전방에 위치하여 기능적으로도 긴밀히 연계되어 있다. 외부에서 생성되는 정보의 조작과 모니터링을 담당하는 DLPFC와 달리 FPC는 내부에서 생성되는 정보를 조작하고 모니터링을 하기 때문에 DLPFC에 비해 더 고차원적인 인지 처리에 관여한다[54]. 따라서 시각 및 청각 단서 등의 외부 정보 없이 머릿속에서 단어를 생성해야 하는 VFT, 시리토리 과제나 언어적 유지, 통합, 추론 등의 높은 작업 기억을 요구하는 담화 이해 과제에서 DLPFC와 FPC의 활성화 증가 양상이 두드러진 것으로 해석할 수 있다.
다만 다수의 연구에서 정상 인지 집단 내에서 기준값 대비 관찰된 활성화 증가가 통계적으로 유의미한 활성화인지에 대한 별도의 검증이 이루어지지 않은 경우가 많았다. 따라서 활성화 값이 양수로 나타난 영역의 경우 과제 수행과 관련된 활성화 가능성을 시사하는 지표로 활용될 수 있으나 이를 통계적 검증 없이 유의미한 활성화 영역으로 단정하여 해석하는 것에는 주의가 필요하다.
경향성에 기반한 언어 수행력과 뇌 활성화 간의 관계 파악
임상에서는 시간과 자원의 제약으로 인하여 행동학적 지표를 중심으로 인지 저하를 판단하는 경우가 대부분이다. 그러나 이러한 점수 중심의 평가 방식은 과제 수행 결과로서의 수치만을 제시하기 때문에 뇌 기능의 미묘한 변화나 그에 따른 보상 기제 등을 충분히 반영하기 어렵다. 이로 인해 뇌 기능의 저하가 있음에도 언어 및 인지적 예비능이나 다른 뇌 부위의 보상적 활성화 등으로 인해 행동 검사의 점수가 정상 범위로 나타날 경우 조기 진단과 중재 시기를 놓칠 위험이 있다. 따라서 수행 지표와 함께 과제 수행 중 뇌 활성화 변화를 평가하여 뇌의 미세한 기능 변화를 탐지할 필요가 있다. 본 연구는 언어 기능의 행동학적 결과와 뇌 혈류역학적 반응의 관계를 다음과 같이 일치형과 불일치형으로 분류하여 논의하고자 한다.
일치형은 인지 기능이 저하될수록 언어 과제에서의 정오 반응으로 확인되는 수행력(행동학적 점수)도 낮고 뇌 활성화 정도도 낮은 경우를 의미한다. 행동학적 점수와 뇌 활성화 양상을 모두 제시한 연구를 중심으로 살펴본 결과 대다수의 연구 및 과제에서는 행동학적-뇌 활성화 일치형에 해당되었다. 각 연구마다 비교 집단에 차이가 있었으나 전반적으로 NE > SCD > MCI > AD 순으로 언어 수행력과 뇌 활성화 수준이 감소하는 경향을 보였다. 이는 신경퇴행성 질환이 진행됨에 따라 뇌의 구조적 통합성과 신경 대사가 점차 저하되면서 뇌 활성화 수준이 저하되고 결과적으로 전반적인 인지 기능의 악화가 언어 과제 수행 점수의 하락으로 반영된 것으로 해석할 수 있다[55].
불일치형은 언어 수행 점수와 뇌 활성화 간의 방향성이 일치하지 않는 경우로 첫째, 언어 평가의 점수에서 차이를 보이나 뇌 활성화 양상은 유사한 경우와 둘째, 언어 평가의 점수는 유사하나 뇌 활성화 양상에서 차이를 보이는 경우이다. 첫 번째 경우에 대한 결과로는 VFT 과제에서 MCI나 AD 집단이 NE 집단보다 산출한 단어의 개수가 적어 인지 기능이 더 낮음을 확인할 수 있었음에도 정상인지 및 인지 저하 집단의 뇌 활성화 수준이 유사하게 나타났다는 점이다. 이는 연구에 포함된 AD 집단이 인지 기능 선별 검사나 임상 치매 척도가 비교적 초기 단계에 해당되어 정상 집단과의 신경생리학적 변별이 통계적으로 크지 않았던 것으로 설명할 수 있다[32]. 흥미로운 결과는 비록 통계적으로는 유의하지 않았으나 뇌 활성화 수준이 AD < NE < MCI 순으로 나타났다는 점이다. 이러한 결과는 정상인지 단계에서는 언어 반구인 좌반구를 중심으로 한 편측 활성화가 효율적으로 이루어지는 반면 MCI 단계에서는 NE 집단과 유사한 수준의 단어 산출력을 유지하기 위해 양쪽 뇌 기능을 동원하면서 보상적인 과활성화의 결과물로 주장되었다. 그리고 퇴행으로 인해 인지 기능 수준이 명백하게 저하된 AD 집단의 경우에는 이러한 보상적 기능이 상실되는 것으로 설명하였다[32].
두 번째 경우의 결과는 주로 연령에 따른 언어 수행력과 뇌 활성화 양상을 비교하는 과정에서 보고되었다. VFT 과제에서 NE와 YA 집단은 유사한 언어 수행 능력을 보였지만 NE 집단의 뇌 활성화 수준은 YA 집단보다 낮게 나타났다[37,38]. 이러한 결과는 임상 검사 점수로 표현되는 NE의 인지 기능은 저하되지 않았지만 노화로 인한 뇌 활성화의 변화는 이미 일어나고 있음을 시사한다. 흥미로운 점은 앞서 NE에 비해 객관적인 인지 기능 저하가 있는 MCI에서는 오히려 해당 영역을 과활성화 시키는 보상적 효과가 관찰되기도 하였으나 인지 수준이 YA 만큼 유지되는 NE의 경우 해당 영역을 과활성화 시키지는 않았다는 점이다. 이러한 결과는 노화로 인한 뇌 기능의 저하 혹은 연구자들이 측정한 영역 이외의 다른 뇌 영역이 대신 활성화되었기 때문으로 해석하였다. 또한 정상적인 노화 과정에서도 조직의 위축이나 세포 내 손상 축적과 같은 뇌 구조 및 기능의 경미한 변화가 동반되기 때문에 병리적인 인지 장애가 없는 경우에도 뇌 활성화가 감소될 수 있으며[56], 더불어 노인은 청년에 비해 인지 처리 자원(processing resource)이 감소한다는 이론[57]을 통해서도 이러한 뇌 활성화의 저하 현상을 설명할 수 있겠다.
반면 compensation-related utilization of circuits hypothesis (CRUNCH) 가설에 따르면 노년층은 청년층과 유사한 수행 수준을 유지하기 위해 더 많은 신경 자원을 동원하는 보상적 전략을 사용할 수 있고 과제 난이도가 증가하여 동원 가능한 신경 자원이 한계에 도달하면 활성화 증가가 더 이상 이루어지지 않는다고 설명한다[58]. 이에 인지 부하가 클 것으로 간주되는 담화 수준의 이해 과제에서 YA 집단보다 NE 집단이 더 강한 활성화를 보인 결과[23,24]를 이 가설의 맥락에서 해석해 보면 실제로는 해당 과제가 NE의 신경 자원의 한계를 초과할 만큼 부하가 크지 않았을 가능성이 있다. 담화 이해 과제는 단어나 문장과 비교하였을 때 언어학적 단위나 양적인 요소는 클 수 있으나 이해의 과정에서 하향 처리(top-down)를 통해 맥락적 단서를 충분히 활용할 수 있기 때문에 오히려 쉬운 난이도의 과제에 해당될 수 있다. 따라서 NE 집단이 동원 가능한 범위 내에서 신경 자원을 최대한 활용하며 언어 과제를 수행하였을 가능성이 있다. 이러한 활성화 양상은 CRUNCH 가설의 효과적인 자원 보상 전략으로 설명 가능하다.
종합하면 일치형 연구에서는 언어 과제 수행을 통해 드러나는 집단 간 차이가 뇌 활성화 수준에서도 일관되게 나타나 행동학적 결과를 뒷받침할 수 있는 신경생리학적 근거가 제시된다고 볼 수 있다. 특히 SVFT와 BNT 과제를 활용한 연구에서는 SCD 집단이 인지 저하 집단에 비해 언어학적 수행 점수 또는 뇌 활성화 수준에서 상대적으로 더 높은 양상을 보이는 것으로 보고되었으며[44,59], 이는 해당 과제가 SCD 집단을 포함한 연구에서 집단 간 특성을 비교하는 데 유의미한 지표로 활용될 수 있음을 시사한다. 비록 관련 연구 수가 충분하지 않아 일반화를 하기에는 한계가 있으나 SCD 집단을 대상으로 한 fNIRS 기반 언어 기능 연구가 비교적 제한적이라는 점을 고려하면 SCD 단계에서 나타나는 미세한 언어적 특성과 뇌 활성화 양상을 이해하는 기초적 근거가 될 수 있다.
반면 불일치형 연구의 경우는 주로 인지 저하 집단에서 행동학적 수행 점수로 변별되는 경우와 정상 노화 집단에서 뇌 활성화의 변화로 변별되는 경우로 보고되었다. 이러한 결과는 행동학적 점수가 집단 간 변별에 중요하긴 하나 뇌 활성화 양상 역시 임상이나 연구적 측면에서 중요한 감별 지표가 될 수 있음을 시사한다. 특히 경미한 인지 저하 및 노화 집단에서 나타나는 비효율적 동원이나 보상적 뇌 활성화 등과 같은 미묘한 신경학적 변화 또한 점수 지표와 함께 조기 변별에 유용하게 활용될 수 있음을 보여준다.
노화 및 인지 저하에 따른 활성화 차이 영역
정상 노화의 과정을 다룬 연구에서는 주로 전두엽의 활성화 저하가 보고되었고[22-24,27,28,37,38], 인지 저하의 전반적인 과정을 다룬 연구에서는 주된 전두엽 외에도 두정엽 및 측두엽의 활성화 감소가 관찰되었다[25,26,31,36,40,44,46,47,59,60-62]. 이러한 결과는 정상 노화 과정에서 전두엽 기능이 특히 저하되고[63], 초기 AD 집단에서 측두두정엽의 대사 저하가 확인되었다는 PET 연구 결과[64]와 유사한 결과이다. 그러나 본 고찰에서 전두엽의 변화가 더 빈번하게 보고된 것은 fNIRS가 다른 엽과 비교하여 전두엽 기능의 측정에 최적화되어 있다는 기기적 특성 및 연구 설계 경향 등 방법론적 요인이 일부 반영되었을 가능성이 있다.
그럼에도 불구하고 대부분의 언어 과제 수행에서 전두엽 영역의 집단 간 활성화 차이가 일관되게 관찰된 점은 전두엽이 언어 처리와 그에 수반되는 상위 인지 기능에 핵심적으로 관여하여 인지 저하나 노화에 민감하게 영향을 받는 영역임을 시사한다. 특히 언어 과제 전반에서 요구되는 의미 및 음운, 통사적 처리를 담당하는 IFG 및 브로카 영역과 고차원적인 인지 기능을 담당하는 DLPFC, 전체적인 정보의 통합에 관여하는 FPC까지 전반적인 전두엽 기능 저하를 확인할 수 있었다. 따라서 노화 및 인지 저하에 따른 전두엽 전반의 활성화 변화는 언어 수행의 전반적 효율성의 감소가 확인되는 핵심 신경학적 근거로 해석될 수 있다.
과제별 활성화 양상을 보다 자세히 살펴보면 일반적으로 해마나 내후각피질이 위치한 좌측 내측 측두엽(medial temporal lobe)은 의미적 언어 처리에 중요한 역할을 담당하는 것으로 알려져 있다[65]. 이 영역은 AD의 병리적 변화와 관련이 있으므로 인지 저하가 진행될수록 의미적 처리에 기반한 SVFT 수행 시 측두엽에서의 활성화 감소가 나타날 것으로 예상할 수 있다. 그러나 본 종설에서 분석한 다수의 선행 연구에서는 오히려 전두엽과 두정엽 영역에서 뚜렷한 인지 저하에 따른 집단 간 활성화 차이를 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 측두엽을 충분히 포함시키지 못한 채널 배치의 한계도 있겠으나 fNIRS의 기술 특성상 측정 깊이가 얕아 내측 측두엽과 같은 심부 구조의 활성화는 포착하기 어렵다는 점이 영향을 미쳤을 가능성도 존재한다. 그러나 중요한 점은 SVFT 수행이 단순히 내측 측두엽을 기반으로 한 의미 처리에서 그치지 않는다는 점이다. 제시된 의미 범주를 기억하고 이미 생성한 단어를 중복적으로 산출하지 않기 위해 전두엽과 두정엽이 관여하는 언어적 작업 기억 및 억제 기능을 활용하여 전략적인 전환이 요구된다[66]. 이러한 과제의 특성으로 인해 측두엽보다 전두엽과 두정엽에서 상대적으로 강조되어 나타난 결과일 수 있으며 본 종설에서 관찰된 전두-두정 영역의 활성화 변화는 인지 저하에 따른 SVFT 수행 저하를 설명할 수 있는 중요한 신경학적 근거로 해석될 수 있다.
한편 PVFT는 전두엽 외에 두정엽과 측두엽에서도 인지 저하에 따른 집단 간 변별이 가능하였다. PET 연구에 따르면 PVFT 수행 시 양측 상두정소엽, 하후측두피질 등 SVFT보다 더 넓은 범위에서 두정 및 측두엽 활성화가 관찰되었으며[67], 두정엽은 음운 정보를 일시적으로 유지하는 작업기억과 관련이 있고 측두엽은 단어의 음운적 표상을 처리하는 데 관여하는 것으로 알려져 왔다[68,69]. 의미 처리를 담당하는 내측 측두엽과는 달리 음운 표상을 처리하는 외측 측두엽은 fNIRS를 통해 상대적으로 측정이 가능한 영역이기 때문에 PVFT 수행 시 측두엽에서 집단 간 활성화 차이가 관찰되었을 가능성이 있다. 제시된 음소 규칙을 유지한 상태에서 여러 음운적 조합을 생성해야 하는 PVFT의 경우 인지 기능이 저하되면 음운 표상에 기반하여 적절한 단어를 탐색하고 선택하는 과정에서 어려움이 발생하여 활성화 저하로 이어질 수 있다. 이처럼 SVFT와 PVFT에서 관찰된 활성화 양상의 차이가 언어 처리의 신경학적 기제뿐만 아니라 fNIRS의 측정 가능 범위와 채널 부착 위치 등과 같은 방법론적 특성에 따라서도 다르게 나타날 수 있다. 따라서 이러한 요인들은 연구 설계와 해석 단계에서 함께 고려될 필요가 있음을 시사한다.
또한 주어진 범주 내에 포함된 단어를 탐색하고 빠르게 산출하는 행위로 반응하는 VFT (SVFT와 PVFT) 과제에서는 조음 운동 관련 영역인 PMC, SMA에서 AD 집단이 NE 집단보다 더 낮은 활성화를 보였다[25,40]. 좌측 PMC의 복측 부위는 조음 계획에 배측 부위는 이름대기 네트워크에 관여하는 것으로 알려져 있으며[70], SMA는 앞부분부터 세 영역으로 구분되어 각각 단어 선택-음성 출력을 위한 말소리 배열 및 조직-말 운동 및 음성 제어와 관련이 있다[71]. 이러한 결과는 VFT 수행 시 운동 관련 영역의 활성화가 단어 탐색과 조음 계획 및 산출 과정에 중요한 역할을 하고 있음을 보여준다. 따라서 PMC와 SMA의 활성화 양상이 인지 저하를 변별할 수 있는 조음 운동 및 어휘 산출 관련 신경학적 지표로 활용될 수 있음을 보여준다.
정상 노화 과정에서의 뇌 활성화 양상을 보고한 연령 집단 별 비교 연구에서는 과제 유형에 따라 일부 차이는 있었으나 마찬가지로 DLPFC와 브로카 영역을 포함한 IFG에서 YA와 NE 집단 간 변별이 가능하였다. 해당 영역은 언어적 모호성을 판단하거나 언어적 추론, 담화 처리 등에 관여하는데[53], 단어와 비단어 간의 모호성을 판단하는 어휘 판단 과제[22], 삼단 논법 기반의 추론이 요구되는 연역적 추론 이해 과제[27], 담화 수준의 언어 처리가 요구되는 담화 이해 과제[23,24] 수행에 있어 노화의 영향을 더욱 받는 것으로 보인다. 특히 인지 저하 집단에서 관찰된 양상과는 달리 NE 집단은 YA 집단과 유사한 언어 수행력을 유지하기 위해 더 많은 뇌 신경 자원을 동원하는 경향이 보고되었다. 이는 YA가 과제를 수행할 때 주의력, 전환 및 억제 기능 등의 추가적인 인지 자원 없이도 비교적 쉬운 수행이 가능한 반면 NE는 감소된 기능을 보상하기 위해 양측 반구의 신경 자원을 추가적으로 활용하는 전략으로 설명할 수 있겠다[9]. 특히 담화 이해 과제는 두 개 이상의 연속된 문장을 이해해야 하므로 문장 간의 의미 통합과 새로운 정보의 인식, 지속적인 내용 기억 등의 언어 처리 과정을 필요로 한다. 그중 텍스트 내 단서를 통합하여 간단한 추론을 요구하는 거시 명제 수준에서 NE 집단은 YA 집단보다 우측 전두엽의 활성화가 유의하게 높게 나타났는데 질문과 관련 없는 단서를 억제하고 적절한 추론을 수행하기 위해 더 큰 신경 자원을 사용한 것으로 해석하였다[24]. 또한 이 영역은 작업 기억, 지속적 주의 집중, 새로운 정보 인식, 모니터링 등 담화 이해에 필요한 인지 기능과 관련이 있으며[72], 인지 저하 시 보상적 활성화가 나타나는 영역이라는 점에서 NE 집단이 양반구의 신경 자원을 동원한다는 결과를 뒷받침한다. 이러한 인지적 지원을 통해 언어 처리 과정이 효율적으로 이루어지며 노화가 진행되더라도 담화 속 정보를 빠르게 처리하고 문장 간의 논리적 관계를 이해할 수 있어 YA 집단과 유사한 언어적 수행 결과를 보이는 것으로 해석할 수 있다.
본 연구는 언어 과제를 통해 정상 노화 및 인지 저하 집단의 언어 수행 행동학적 결과뿐만 아니라 fNIRS를 활용한 문헌 분석을 통해 뇌의 기능적 변화를 함께 고찰하였다는 점에서 의의가 있다. 또한 과제별로 요구되는 언어 및 인지 자원과 집단 특성(인지 저하 및 연령)에 따라 차별적으로 활성화되는 영역을 확인하였기 때문에 fNIRS 기반 언어 평가 및 재활, 연구에서 기기 부착 영역 설정에 실질적인 참고가 될 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 본 연구에 포함된 선행 연구들의 대부분은 언어 과제로 VFT를 사용하였으며 뇌 활성화 측정 부위 역시 전두엽에 국한되어 있어 결과를 일반화하기에는 한계가 존재한다. 더불어 기존 연구가 주로 전두엽 활성화에 집중되어 있다는 점을 고려할 때 두정엽, 측두엽, 후두엽 등 다양한 뇌 영역의 활성화 양상을 전반적으로 탐색함으로써 언어 처리의 신경학적 기전을 보다 정밀하게 규명할 필요가 있다. 또한 본 고찰에 포함된 대부분의 연구에서는 집단 간 차이에 대한 표준화된 효과 크기를 보고하지 않아 인지 저하 과정에서 나타나는 미세한 신경생리학적 차이를 비교 및 해석하는 데 한계가 있었다. 향후 fNIRS 기반의 언어 과제 연구에서는 통계적 유의성과 더불어 효과 크기를 함께 보고하여 연구 간 비교와 임상적 해석의 가능성을 높일 필요가 있겠다.
Notes
Ethical Statement
N/A
Acknowledgements
N/A
Declaration of Conflicting Interests
There are no conflict interests.
Funding
This work was supported by the Ministry of Education of the Republic of Korea and the National Research Foundation of Korea (NRF-2025S1A5C3A02005633).
Author Contributions
Conceptualization: So Bin Lee, Ji Hye Yoon. Data curation: So Bin Lee. Formal analysis: So Bin Lee. Investigation: So Bin Lee, Seung Jin Lee, Woojae Han. Methodology: So Bin Lee, Seung Jin Lee, Woojae Han. Project administration: Ji Hye Yoon. Visualization: So Bin Lee. Writing-original draft: So Bin Lee. Writing-review & editing: Ji Hye Yoon.
Figure 1.
Flowchart of searching process. fNIRS: functional near-infrared spectroscopy.
VFT: verbal fluency task, SVFT: semantic VFT, PVFT: phonemic VFT, BNT: Boston naming test
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Frontal region (Rt), dorsolateral prefrontal cortex (Lt), frontopolar area (Lt), pars opercularis part of Broca's area (Lt), premotor and supplementary motor cortex (Lt), fusiform gyrus (Lt), middle temporal gyrus (Lt)*
NE
Frontal region (Rt, inferior), dorsolateral prefrontal cortex (Lt), frontopolar area (Lt), pars opercularis part of Broca's area (Lt), premotor and supplementary motor cortex (Lt), fusiform gyrus (Lt), middle temporal gyrus (Lt)*
Frontal, parietal, temporal (DLPFC, FPC, pars opercularis, pars triangularis, part of Broca’s area, PreM and SMA, retrosubicular area, middle temporal, superior temporal, supramarginal gyrus, part of Wernicke’s area, fusiform gyrus)
While reading the texts:
While reading the texts
-NE < YA (MIC, SIT level)
YA < NE
[MIC, MAC level]: Lt. DLPFC, FPC
[MIC, MAC, SIT level]: Lt. DLPFC, pars opercularis part of Broca's area
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