Observations of Oxygen Administration Effects on Visuospatial Cognitive Performance using Time Course Data Analysis of fMRI

뇌기능 자기공명영상의 시계열 신호 분석에 의한 공간인지과제 수행시 산소 공급의 효과 관찰

Purpose : This study attempted to investigate the effects of supply of highly concentrated $(30\%)$ oxygen on human ability of visuospatial cognition using time course data analysis of functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI). Materials and Methods : To select an item set in the visuospatial performance test, two questionnaires with similar difficulty were developed through group testing. A group test was administered to 263 college students. Two types of questionnaire containing 20 questions were developed to measure the ability of visuospatial cognition. Eight college students (right-handed male, average age of 23.5 yrs) were examined for fMRI study. The experiment consisted of two runs of the visuospatial cognition testing, one with $21\%$ level of oxygen and the other with $30\%$ oxygen level. Each run consisted of 4 blocks, each containing control and visuospatial items. Functional brain images were taken from 37 MRI using the single-shot EPI method. Using the subtraction procedure, activated areas in the brain during visuospatial tasks were color-coded by t-score. To investigate the time course data in each activated area from brain images, 4 typical regions (cerebellum, occipital lobe, parietal lobe, and frontal lobe) were selected. Results : The average accuracy was $50.63{\pm}8.63$ and $62.50{\pm}9.64$ for $21\%\;and\;30\%$ oxygen respectively, and a statistically significant difference was found in the accuracy between the two types of oxygen (p<0.05). There were more activation areas observed at the cerebellum, occipital lobe, parietal lobe and frontal lobe with $30\%$ oxygen administration. The rate of increase in the cerebellum, occipital lobe and parietal lobe was $17\%$ and that of the frontal lobe, $50\%$. Especially, there were increase of intensity of BOLD signal at the parietal lobe with $30\%$ oxygen administration. The increase rate of the left parietal lobe was $1.4\%$ and that of the right parietal lobe, $1.7\%$. Conclusion : It is concluded that while performing visuospatial tasks, high concentrations of oxygen administration make oxygen administration sufficient, thus making neural network activate more, and the ability to perform visuospatial tasks increase.

목적 : 본 연구는 외부에서 고 농도$(30\%)$의 산소 공급이 공간 인지 능력에 어떠한 변화를 유발하는지 뇌기능 자기공명영상의 시계열 신호 분석을 통해 관찰하고자 한다. 대상 및 방법 : 비슷한 난이도의 공간 인지 과제 두 세트를 제작하기 위해 집단 검사를 실시하였다. 집단검사는 263명의 대학생을 대상으로 수행되었다. 그 결과 공간 인지 능력 측정을 위해 20 문항을 포함하는 두 개의 문제지를 제작하였다. 8명의 오른손잡이 남자 대학생(평균 23.5세)이 뇌기능 자기공명영상 실험의 피험자로 참여하였다. $21\%$와 $30\%$의 산소를 공급하면서 공간 인지 과제를 수행하는 두 번의 실험이 설계되었다. 각 실험은 네 개의 블록으로 구성되고, 각 블록은 통제 및 공간 과제로 구성되었다. 37 MRI 기기를 사용하여 single-shot EPI 방법으로 뇌기능 영상을 획득하였다. 감산법을 이용하여 공간 과제 수행 시 활성화되는 뇌 영역을 추출하였다. 활성화 영역의 시계열 신호 분석을 위해 대표적인 네 영역(소뇌, 후두엽, 두정엽, 전두엽)을 선정하였다. 결과 : 평균 정답률은 $21\%$와 $30\%$ 산소 농도에서 각각 $50.63{\pm}8.63$와 $62.50{\pm}9.64$ 이었고, 두 농도간의 통계적 유의차가 발생하였다 (p<0.05). $21\%$에 비해 $30\%$ 산소 농도에서 소뇌 후두엽, 두정엽, 전두엽 영역에서 신경 활성화의 면적이 증가하였다. 소뇌, 후두엽, 두정엽 영역의 신경 활성화 면적의 증가율은 약 $17\%$이었고, 전두엽은 약 $50\%$ 이었다. 특히, 공간 인지 처리와 가장 밀접한 관련이 있는 두정엽 영역에서는 신경 활성화 강도도 증가하였다. 좌 두정엽에서 신경 활성화 강도의 증가율은 약 $1.4\%$ 이었고, 우 두정엽은 약 $1.7\%$ 이었다. 결론 : 고농도의 산소가 과제수행에 필요한 산소 공급을 충분하게 하여 과제수행에 필요한 신경망을 보다 활성화시켰다. 그리고 그 결과로 과제 수행 능력도 증가시킨다는 결론을 도출할 수 있다.