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Brain Activation in Generating Hypothesis about Biological Phenomena and the Processing of Mental Arithmetic: An fMRI Study

생명 현상에 대한 과학적 가설 생성과 수리 연산에서 나타나는 두뇌 활성: fMRI 연구

  • Published : 2007.02.28
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Abstract

The purpose of this study is to investigate brain activity both during the processing of a scientific hypothesis about biological phenomena and mental arithmetic using 3.0T fMRI at the KAIST. For this study, 16 healthy male subjects participated voluntarily. Each subject's functional brain images by performing a scientific hypothesis task and a mental arithmetic task for 684 seconds were measured. After the fMRI measuring, verbal reports were collected to ensure the reliability of brain image data. This data, which were found to be adequate based on the results of analyzing verbal reports, were all included in the statistical analysis. When the data were statistically analyzed using SPM2 software, the scientific hypothesis generating process was found to have independent brain network different from the mental arithmetic process. In the scientific hypothesis process, we can infer that there is the process of encoding semantic derived from the fusiform gyrus through question-situation analysis in the pre-frontal lobe. In the mental arithmetic process, the area combining pre-frontal and parietal lobes plays an important role, and the parietal lobe is considered to be involved in skillfulness. In addition, the scientific hypothesis process was found to be accompanied by scientific emotion. These results enabled the examination of the scientific hypothesis process from the cognitive neuroscience perspective, and may be used as basic materials for developing a learning program for scientific hypothesis generation. In addition, this program can be proposed as a model of scientific brain-based learning.

이 연구의 목적은 과학적 가설 생성 과정의 두뇌 활성화 특성을 수리 연산 과정과 비교하여 3.0T fMRI를 이용하여 규명하는 것이다. 이를 위하여 16명의 건강한 남자 피험자가 실험에 자발적으로 참여하였으며, 과학적 가설 생성 과제와 수리 연산 과제를 684초 동안 수행하여 fMRI 영상을 측정하였다. 측정한 후 언어적 보고 자료를 수집하여 fMRI 영상 자료의 신뢰도를 확보하였다. 언어적 보고의 분석 결과 수집한 fMRI 영상 자료 전부를 통계적 분석 대상 자료에 포함시켰다. SPM2 프로그램을 이용하여 통계적으로 분석한 결과, 과학적 가설 생성 과정은 수리 연산 과정과 다른 독립적인 두뇌 네트 을 가지고 있는 것으로 나타났다. 과학적 가설 생성 과정에서는 측두엽의 방추이랑(fusiform gyrus)에서 의문 상황 분석으로 이끌어내진 의미가 전두엽에서 부호화하는 과정이 일어난다고 할 수 있다. 수리 연산 과정은 전두엽과 두정엽의 연합된 영역이 중요한 역할을 하며 기능적 숙련도는 두정엽 영역이 관여하는 것으로 생각된다. 또한 과학적 가설 생성 과정에서는 과학적 감성의 생성도 동반하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 연구 결과는 과학적 가설 생성 과정을 두뇌 과학적 측면에서 고찰 할 수 있도록 하였으며, 과학적 가설 생성 학습 프로그램 개발을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 과학적 가설 생성 학습 프로그램은 두뇌-기반 학습의 한 전형으로 제안할 수 있다.

Keywords

References

  1. 강은미, 신동훈, 권용주(2006). 과학 지식 생성 학습 을 통한 초등학생들의 가설 지식 생성 능력의 발달. 초등과학교육, 25(3), 257-270
  2. 강혜진, 강은주, 이정모, 나동규, 나덕렬, 이동수 (2005). 연합기억과제의 특성과 해마 활성화에 대한 fMRI 연구. 한국심리학회지: 실험, 17(4), 477-498
  3. 권용주, 박지영, 신동훈(2006a). 가설생성 학습 후에 나타난 초등 예비교사의 뇌파 변화. 초등과학교육, 25(2), 59-166
  4. 권용주, 정진수, 강민정, 김영신(2003) 과학적 가설 지식의 생성 과정에 대한 바탕이론. 한국과학교육학회지, 23(5), 458-469
  5. 권용주, 정진수, 이준기(2006b). 생명 현상에 대한 과학 교사들의 잠정적 설명의 유형. 한국생물교육학회지, 34(2), 297-305
  6. 김연수, 조용현, 권재술(2005). 작용 반작용 과제에 서 고등학생의 인지갈등 불안유형에 따른 설명가설 형 성의 특성(II). 한국과학교육학회지, 25(3), 400-410
  7. 남기춘, 김동휘(2002). 인간 언어정보저리와 관련된 대뇌 영역. 한국심리학회지: 실험 및 인지, 14(4), 291-308
  8. 박은미, 강순희(2006). 유사 경험의 제공이 귀추에 의한 가설 설정에 미치는 효과. 한국과학교육학회지, 26(3), 356-366.
  9. 박종원(2000). 학생의 과학적 설명가설의 생성 과정 분석: 과학적 가설의 정의와 특성을 중심으로. 한국과학교육학회지, 20(4), 667-679
  10. 신동훈, 권용주(2006). 예비교사들의 생물학 가설 생성에서 나타나는 과학적 감성의 생성 과정 유형별 두뇌 활성화에 대한 fMRI 연구. 한국과학교육학회지, 26(4), 568-580
  11. 오필석, 김찬종(2005). 지구과학의 한 탐구 방법으로서 귀추법에 대한 이론적 고찰. 한국과학교육학회지, 25(5), 610-623
  12. 유승식 (2001). 기능 자기 공명 영상 실험(설전 응용을 중심으로 한). 서울: 의학문화사
  13. 이원택, 박경아(1996). 의학 신경 해부학. 연세 의대 해부학 교실( http://anatomy.yonsei.ac.kr/neuro-web/home.htm)
  14. 이준기, 권용주, 정진수(2006). 생명 현상에 대한 가설 생성에서 나타나는 과학교사의 두뇌 활성 fMRI 연구, 한국생물교육학회지, 34(4), 453-464
  15. 이혜원, 양일호, 조현준(2005). 초 . 중학생의 관찰, 예상, 가설의 이해. 초등과학교육, 24(3), 236-241
  16. 정용재, 송진웅(2006). Peirce의 귀추법 양식을 이용 한 교육 대학생들이 생성한 가설의 특정 분석. 초등과학 교육, 25(2), 126-140.
  17. 정진수(2006). 초. 중등 학생들의 과학적 가설 생성력 측정 도구 개발과 활용. 한국생불교육학회지, 34(3), 388-404
  18. 정진수, 원희정, 권용주(2005). 과학적 가설의 생성력 향상을 위한 삼원귀추모형의 적용. 한국과학교육학회지, 25(5), 595-602
  19. 진진욱, 신현용(2006). 실수 연산의 기본 성질에 대한 고등학교 2학년 학생들의 이해와 적용 능력 분석. 수학교육, 45(1), 61-74
  20. Ansari, D., & Ccch, D. (2006). Bridges over troubled waters: education and cognitive neuroscience. Trends in cognitive sciences, 10(4), 146-151 https://doi.org/10.1016/j.tics.2006.02.007
  21. Bartels, A, & Zeki, S. (2004). The neural correlates of maternal and romantic love. NeuroImage, 21(3), 1155-1166 https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2003.11.003
  22. Buxton, R. B. (2002). Introduction to functional magnetic resonance imaging: Principles and techniques. Cambridge, UK: Cambridge University Press
  23. Gazzaniga, MS., Ivry, R. B., & Mangun, G. R. (2002). Cognitive neuroscience: The biology of the mind (2nd ed.), W W Norton & Company
  24. Green, A E., Fugelsang, J. A, Kraemer, D. J. M, & Shamosh, N. A (2006). Frontopclar cortex mediates abstract integration in analogy. Brain Research, 1096, 125-137 https://doi.org/10.1016/j.brainres.2006.04.024
  25. Hanson, N. R. (1958). Patterns of discovery. (송진웅, 조숙경 역, 1995). Cambridge University Press.
  26. Huettel, S. A, Song, A W, & McCarthy, G. (2004). Functional magnetic resonance imaging. Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc
  27. Jin, S., Kwon, Y, Jeong, J., Kwon, S., & Shin, D. (2006). Increased information transmission during scientific hypcthesis generation: Mutual information analysis of multichannel EEG. International Journal of Psychophysiology, 62(2), 337-344 https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2006.06.003
  28. Kawashima, R., Taira, M, Okita K, Inoue, K, Tajima, N., Yoshida, H., Ssaki, T., Sugiura, M, Watanabe, J., & Fukuda, H. (2004). A functional MRI study of simple arithmetic-a comparison between children and adults. Cognitive Brain Research, 18(3), 225-23l
  29. Kemmotsu, N., Villalobos, M. E., Graffrey, M. S., Courchesne, E., & Muller, R. (2005). Activity and functional connectivity of inferior frontal cortex associated with respcnse conflict. Cognitive Brain Research, 24, 335-342 https://doi.org/10.1016/j.cogbrainres.2005.02.015
  30. Klahr, D., & Dunbar, K (1998). Dual space search during scientific reasoning. Cognitive Science, 12, 1-48
  31. Kwon, Y, Jeong, J., & Jin, S. (2004). EEG correlation patterns of hypcthesis-generating in undergraduate students' generation of scientific knowledge. Journal of the Korean Association for Research in Science Education. 24(4), 722-730
  32. Kwon, Y, Yang, L, Kang, M, & Lee, J. (2006). Changes in the brain activity after training of hypothesis generation in science. Neurolmage, 31(S1), S58 https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2006.04.049
  33. Lawson, A. E. (1995). Science teaching and development of thinking. Belmont, CA: Wadsworth Publishing company
  34. Lawson, A. E. (2002). What does Galilee's discovery of Jupiter's moons tell us about the process of scientific discovery? Science Education, 11, 1-24 https://doi.org/10.1023/A:1013048828150
  35. Menon, V., Mackenza, K., Rivera, S., & Reiss, A. (2002). Prefrontal cortex involvement in processing incorrect arithmetic equations: Evidence from event-related fMRI. Human Brain Mapping, 16, 119-130 https://doi.org/10.1002/hbm.10035
  36. Menon, V., Rivera, S., White, C, Glover, G., & Reiss, A. (2000). Dissociating prefrontal and parietal cortex activation during arithmetic processing. Neurolmage, 12(4), 357-365 https://doi.org/10.1006/nimg.2000.0613
  37. Naghavi, H. R., & Nyberg, L. (2005). Common fronto-pariental activity in attention, memory, and consciousness: Shared demands on integration? Consciousness and Cognition, 14, 390-425 https://doi.org/10.1016/j.concog.2004.10.003
  38. O'Boyle, M., Cunnington, R., Silk, T., Vaughan, D., Jackson, G., Syngeniotis, A., & Egan, G. (2005). Mathematically gifted male adolescents activate a unique brain network during mental rotation. Cognitive Brain Research, 25, 583-587 https://doi.org/10.1016/j.cogbrainres.2005.08.004
  39. Rivera, S., Reiss, A., Eckert, M., & Menon, V. (2005). Developmental changes in mental arithmetic: Evidence for increased functional specialization in the left inferior parietal cortex. Cerebral Cortex, 15, 1779-1790 https://doi.org/10.1093/cercor/bhi055
  40. Schmithorst, V.. & Holland, S. (2004). The effect of musical training on the neural correlates of math processing: a functional magnetic resonance imaging study in humans, Neuroscience Letters, 354, 193-196
  41. Smith, D. T., Jackson, S. R., & Rorden, C. (2005). Transcranial magnetic stimulation of the left human frontal eye fields eliminates the cost of invalid endogenous cues. Neuropsychologia, 43, 1288-1296 https://doi.org/10.1016/j.neuropsychologia.2004.12.003
  42. Snell, R. S. (2001). Oinical neuroanatomy for medical students. (박경한 대표역, 2005), lippincott Williams & Wilkins, Inc
  43. Talairach, J., & Toumoux, P. (1988). Co-planar stereotaxic atlas of the human brain. New York: Thieme Medical publishers, Inc
  44. Veltman, D., Hutton, C, Ashbumer, J., & Henson, R. (2001). SPM99 Manual, http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm