음악과 언어의 시간적 역학

Temporal dynamics of music and language

음악과 언어의 시간적 역학관계는 어떻게 뇌가 음악과 성악을 처리하기 위해 다른 영역을 조정하는지 설명한다. 음악과 언어 모두 리듬감 있고 멜로디적인 구조를 가지고 있다. 둘 다 완전한 음악적 또는 언어적 사상을 창조하기 위해 순서가 정해진 방식으로 결합된 유한한 기본 요소(음조나 단어 등)를 채택하고 있다.

언어와 음악의 신경절개술

뇌의 주요 영역은 언어 생산과 이해에 전념하는 Brocas 영역과 같이 음악 처리와 언어 처리 모두에서 사용된다. Brocas 지역에서 병변이나 손상이 있는 환자들은 종종 문법이 서툴고, 언어 생산이 느리며, 문장 이해력이 떨어진다. 하전두회(하전두회)는 특히 동사의 이해를 위해 타이밍 이벤트와 읽기 이해에 관여하는 전두엽의 회합이다. 베르니케스 영역은 상행 측두회 후단에 위치하며 어휘와 문어 이해에 중요하다.

일차 청각 피질은 대뇌 피질의 측두엽에 위치한다. 이 지역은 음악 처리에서 중요하며 소리의 음량과 음량을 결정하는 데 중요한 역할을 한다.[1] 이 지역의 뇌 손상은 종종 어떤 소리도 들을 수 있는 능력을 상실하게 된다. 전두엽 피질은 음악의 멜로디와 하모니를 처리하는 데 관여하는 것으로 밝혀졌다. 예를 들어 환자에게 비트를 누르거나 음색을 재현하도록 요청하면 이 부위는 fMRI와 PET 스캔에 매우 적극적이다.[2] 소뇌는 두개골 뒤쪽에 있는 "미니" 뇌다. 전두엽 피질과 유사하게 뇌 영상 연구는 소뇌가 멜로디를 처리하고 템포를 결정하는 데 관여한다는 것을 시사한다. 일차 청각 피질과 함께 내측 전방 피질도 톤성에 관여하거나 피치 및 부피를 결정한다.[1]

위에서 언급된 특정 지역 외에도 언어와 음악 처리에서 많은 "정보 전환점"이 활발하다. 이들 지역은 정보를 전달하는 전송 경로의 역할을 하는 것으로 생각된다. 이러한 신경 자극은 위의 영역들이 정보를 올바르게 전달하고 처리할 수 있게 해준다. 이 구조물들은 시상하부와 기저 조직들을 포함한다.[2]

위에서 언급한 영역 중 일부는 PET와 fMRI 연구를 통해 음악과 언어 처리 모두에서 활발한 것으로 나타났다. 이러한 영역에는 1차 운동 피질, Brocas 영역, 소뇌 및 1차 청각 피질 등이 포함된다.[2]

뇌를 작동시키는 영상화

시간 역학을 연구하는 데 가장 적합한 영상 기법은 실시간으로 정보를 제공한다. 이 연구에서 가장 많이 사용되는 방법은 기능성 자기공명영상(fMRI)과 PET 스캔으로 알려진 양전자 방출 단층촬영이다.[3]

양전자 방출 단층 촬영은 혈액에 단명 방사능 추적 동위원소를 주입하는 것을 포함한다. 방사성 동위원소가 분해되면 기계 센서에 의해 검출되는 양전자를 방출한다. 이 동위원소는 화학적으로 포도당과 같은 생물학적으로 활성 분자에 통합되어 대사 활동을 활발하게 한다. 주어진 영역에서 뇌 활동이 발생할 때마다 이 분자들은 그 영역에 모집된다. 일단 생물학적으로 활성화된 분자, 그리고 그것의 방사능 "염색"의 농도가 충분히 올라가면 스캐너는 그것을 감지할 수 있다.[3] 뇌 활동이 시작되는 시점부터 활동이 PET 기기에 의해 감지되는 시점까지 약 1초가 경과한다. 염료가 필요한 농도에 도달하는 데 일정 시간이 걸리기 때문이다.[4]

PET.
PET 스캔의 예.

기능성 자기공명영상(fMRI)은 뇌 활동을 실시간으로 관찰할 수 있는 기존 MRI 영상장치의 한 형태다. fMRI 장치는 뇌 활동과 관련된 신경 혈류의 변화를 감지함으로써 작동한다. fMRI 장치는 강한 정적 자기장을 사용하여 뇌 안에 있는 원자의 핵들을 정렬한다. 그런 다음 종종 그라데이션 장이라고 불리는 추가 자기장을 적용하여 핵들을 더 높은 에너지 상태로 끌어올린다.[5] 구배장을 제거하면 핵은 원래 상태로 되돌아가 에너지를 방출한다. 방출된 에너지는 fMRI 기계에 의해 감지되어 이미지를 형성하는데 사용된다. 뉴런이 활동적으로 되면 그 지역으로의 혈류량이 증가한다. 이 산소가 풍부한 혈액은 산소가 고갈된 혈액을 대체한다. 산소를 운반하는 적혈구의 헤모글로빈 분자는 산소가 공급되는지 여부에 따라 자기 성질이 다르다.[5] 헤모글로빈에 의해 생성되는 자성 장애에 검출의 초점을 맞추면 뉴런의 활동을 거의 실시간으로 매핑할 수 있다.[5] 연구자들이 시간 역학을 실시간으로 연구할 수 있도록 허용하는 기술은 거의 없다.

MEG.
환자는 "MEG"를 얻는다.

시간 역학을 분석하기 위한 또 다른 중요한 도구는 MEG라고 알려진 자기 뇌 촬영이다. 신경 활동에 의해 생성되는 전류를 통해 생성되는 자기장을 감지하고 기록함으로써 뇌 활동을 지도화하는 데 사용된다. 이 장치는 SQUIDS라고 불리는 초전도 양자 인터페이스 소자의 대열을 이용하여 자기 활동을 탐지한다. 인간의 뇌에 의해 생성되는 자기장은 너무 작기 때문에 장치 전체를 외부 자기장으로부터 기기를 보호하도록 특별히 설계된 방에 두어야 한다.[5]

기타연구방법

언어와 음악을 처리할 때 뇌 활동을 연구하는 또 다른 일반적인 방법은 초자연 자기 자극 또는 TMS이다. TMS는 유도를 사용하여 빠르게 변화하는 자기장을 이용하여 뇌 내에 약한 전자기 전류를 생성한다. 그 변화는 뉴런을 탈극화하거나 극극화시킨다. 이것은 다른 지역에서 활동을 생성하거나 억제할 수 있다. 기능 장애의 영향은 뇌 상호연결을 평가하는 데 사용될 수 있다.[6]

최근 연구

언어와 음악적 멜로디의 많은 측면들은 같은 뇌의 영역에 의해 처리된다. 2006년에 브라운, 마르티네즈, 파슨스는 멜로디나 문장을 듣는 것이 1차 운동 피질, 보조 운동 영역, Brocas 영역, 전측 인슐라, 1차 오디오 피질, 쇄골, 기저 운동 및 소뇌를 포함한 많은 동일한 영역의 활성화를 초래한다는 것을 발견했다.[7]

Koelsch, Sallat, Friederici의 2008년 연구는 언어 장애가 음악을 처리하는 능력에도 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견했다. 특정한 언어 장애를 가진 아이들, 즉 SLI는 서로 음조를 일치시키거나 언어 장애가 없는 아이들처럼 단순한 메트로놈으로 템포를 맞추는 데 능숙하지 못했다. 이는 언어에 영향을 미치는 신경학적 장애가 음악적 처리 능력에도 영향을 미칠 수 있다는 사실을 부각시킨다.[8]

2001년 월시, 스튜어트, 프리스트는 대상자들에게 간단한 키보드로 멜로디를 만들거나 시를 쓰라고 하여 멜로디와 언어를 처리한 지역을 조사했다. 그들은 음악 및 언어 데이터가 있는 장소에 TMS를 적용했다. 연구는 왼쪽 전두엽에 적용된 TMS가 언어 자료를 쓰거나 생산하는 능력에 영향을 끼친 반면, 뇌의 청각과 Brocas 영역에 적용된 TMS는 연구 대상자의 음악적 멜로디 연주 능력을 가장 억제한다는 것을 발견했다. 이는 음악과 언어 창조 사이에 몇 가지 차이점이 존재함을 시사한다.[9]

발전적 측면

음악과 언어 처리의 기본적인 요소들은 태어날 때 존재하는 것으로 보인다. 예를 들어, 태아의 심장 박동을 관찰한 프랑스의 2011년 연구는 28주가 지나 태아가 음악적 음정과 템포의 변화에 반응한다는 것을 발견했다. 기준 심박수는 자극 전에 2시간의 모니터링에 의해 결정되었다. 자궁근처에서는 서로 다른 온도에서 하강 및 상승 주파수가 재생되었다. 이번 연구에서는 음절이 다른 음절의 사운드 클립을 재생하는 등 언어 패턴에 대한 태아의 반응도 조사했지만, 다른 언어 자극에 대한 반응은 발견되지 않았다. 낮은 음조의 부드러운 소리에 비해 높은 음의 큰 소리에 반응하여 심박수가 증가했다. 이는 분별력 있는 음치, 템포, 시끄러운 소리 등 음향 처리의 기본적 요소들이 태어날 때 존재하는 반면, 후기 발달된 과정은 출생 후의 음성 패턴을 구분한다는 것을 시사한다.[10]

2010년의 한 연구는 언어 장애가 있는 어린이들의 언어 능력 발달에 대해 연구했다. 그것은 음악적 자극이 전통적인 언어치료의 결과를 향상시킨다는 것을 발견했다. 3.5~6세 어린이는 두 그룹으로 나뉘었다. 한 그룹은 각 음성 치료 시간마다 가사 없는 음악을 들었고 다른 그룹은 전통적인 음성 치료를 받았다. 이 연구는 규칙적인 음악적 자극에 노출된 그룹에서 음운학적 능력과 아이들의 언어 이해 능력이 모두 더 빠르게 증가했다는 것을 발견했다.[11]

재활 중인 응용 프로그램

최근의 연구는 뇌의 음악의 효과가 뇌 장애를 가진 개인에게 이롭다는 것을 발견했다.[12][13][14][15] 스테겔러는 음악 치료의 기본 원리를 도파민 증가, 신경 동기화 그리고 마지막으로 정상적인 뇌 기능에 중요한 특징인 명확한 신호라고 논한다.[15] 이러한 효과의 조합은 뇌의 신경 재생성을 유도하며, 이는 개인의 학습 및 적응 가능성을 증가시키는 것으로 제안된다.[16] 기존 문헌에서는 파킨슨병, 헌팅턴병, 치매 등에 대한 음악치료의 효과를 살펴보고 있다.

파킨슨병

파킨슨병을 앓고 있는 사람들은 뇌의 도파민 감소로 인한 걸음걸이와 자세장애를 경험한다.[17] 이 병의 특징 중 하나는 걸으면서 몸을 앞으로 숙이고, 점차 속도를 증가시켜 넘어지거나 벽과 접촉하는 것이다. 파킨슨병 환자들도 걸을 때 방향을 바꾸는 데 어려움을 겪는다. 그러므로 음악 치료에서 도파민이 증가한다는 원리는 파킨슨병 증상을 완화시킬 것이다.[15] 이러한 영향은 파킨슨병 환자의 보행 속도, 보폭 길이 및 인지도가 감소하는 다양한 청각 피드백 단서에 대한 Ghai의 연구에서 관찰되었다.[12]

헌팅턴병

헌팅턴의 질병은 사람의 움직임, 인지능력, 정신 기능 등에 영향을 미치며, 그 사람의 삶의 질에 심각한 영향을 미친다.[18] 가장 흔히 헌팅턴병 환자들은 안무, 충동조절 부족, 사회적 금단, 무관심을 가장 많이 경험한다. 슈바르츠 외 연구진은 헌팅턴병 환자에 대한 음악과 춤 치료의 효과에 관한 출판된 문헌에 대한 검토를 실시했다. 음악이 음악 관련 활동 이외의 활동에 대한 인지능력과 운동능력을 향상시킬 수 있다는 사실은 음악이 이 질환을 앓고 있는 환자에게 유익할 수 있음을 시사한다.[13] 비록 음악이 생리학적 기능에 미치는 영향에 관한 연구는 본질적으로 결론에 이르지 못하지만, 연구들은 음악 치료법이 환자의 능력의 최대 잠재력을 달성하는 데 중요한 환자의 참여와 치료에서의[13] 장기적 관여를 강화한다는 것을 발견한다.

치매

치매로 인한 알제히메르병을 앓고 있는 사람들은 친숙한 노래를 들으면 거의 언제나 즉시 활기를 띠게 된다.[14] Sérkaemo 외 연구진은 이 병에 걸린 사람들에게 체계적인 문헌 검토를 통해 발견된 음악의 영향에 대해 논한다. 음악과 치매에 대한 실험적 연구들은 개인에서 멜로디 등고선 인식과 청각 분석과 같은 더 높은 수준의 청각 기능은 감소하지만 음치, 음색, 리듬과 관련된 기본적인 청각적 자각은 유지한다는 것을 밝혀냈다.[14] 흥미롭게도 음악으로 인한 감정과 기억은 심한 치매를 앓는 환자들에게도 보존되어 있는 것으로 나타났다. 연구는 음악이 동요, 불안, 사회적 행동과 상호작용에 미치는 이로운 영향을 보여준다.[14] 인지 작업은 삽화적 기억력이나 언어 유창성과 같은 음악에도 영향을 받는다.[14] 이 인구의 개인들을 위한 노래에 대한 실험적 연구들은 기억 저장, 언어적 작업 기억력, 원격 삽화 기억력 및 실행 기능을 향상시켰다.[14]

참조

  1. ^ a b Ghazanfar, A. A.; Nicolelis, M. A. (2001). "Feature Article: The Structure and Function of Dynamic Cortical and Thalamic Receptive Fields". Cerebral Cortex. 11 (3): 183–193. doi:10.1093/cercor/11.3.183. PMID 11230091.
  2. ^ a b c Theunissen, F; David, SV; Singh, NC; Hsu, A; Vinje, WE; Gallant, JL (2001). "Estimating spatio-temporal receptive fields of auditory and visual neurons from their responses to natural stimuli". Network: Computation in Neural Systems. 12 (3): 289–316. doi:10.1080/net.12.3.289.316. PMID 11563531. S2CID 199667772.
  3. ^ a b Baird, A.; Samson, S. V. (2009). "Memory for Music in Alzheimer's Disease: Unforgettable?". Neuropsychology Review. 19 (1): 85–101. doi:10.1007/s11065-009-9085-2. PMID 19214750. S2CID 14341862.
  4. ^ Bailey, D.L; Townsend, D.W.; Valk, P.E.; Maisey, M.N. (2003). Positron Emission Tomography: Basic Sciences. Secaucus, NJ: Springer-Verlag. ISBN 978-1852337988.
  5. ^ a b c d Hauk, O; Wakeman, D; Henson, R (2011). "Comparison of noise-normalized minimum norm estimates for MEG analysis using multiple resolution metrics". NeuroImage. 54 (3): 1966–74. doi:10.1016/j.neuroimage.2010.09.053. PMC 3018574. PMID 20884360.
  6. ^ Fitzgerald, P; Fountain, S; Daskalakis, Z (2006). "A comprehensive review of the effects of rTMS on motor cortical excitability and inhibition". Clinical Neurophysiology. 117 (12): 2584–2596. doi:10.1016/j.clinph.2006.06.712. PMID 16890483. S2CID 31458874.
  7. ^ Brown, S.; Martinez, M. J.; Parsons, L. M. (2006). "Music and language side by side in the brain: A PET study of the generation of melodies and sentences". European Journal of Neuroscience. 23 (10): 2791–2803. CiteSeerX 10.1.1.530.5981. doi:10.1111/j.1460-9568.2006.04785.x. PMID 16817882. S2CID 15189129.
  8. ^ Jentschke, S.; Koelsch, S.; Sallat, S.; Friederici, A. D. (2008). "Children with Specific Language Impairment Also Show Impairment of Music-syntactic Processing". Journal of Cognitive Neuroscience. 20 (11): 1940–1951. CiteSeerX 10.1.1.144.5724. doi:10.1162/jocn.2008.20135. PMID 18416683. S2CID 6678801.
  9. ^ Stewart, L.; Walsh, V.; Frith, U. T. A.; Rothwell, J. (2001). "Transcranial Magnetic Stimulation Produces Speech Arrest but Not Song Arrest". Annals of the New York Academy of Sciences. 930: 433–435. Bibcode:2001NYASA.930..433S. CiteSeerX 10.1.1.671.9203. doi:10.1111/j.1749-6632.2001.tb05762.x. PMID 11458860.
  10. ^ Granier-Deferre, C; Ribeiro, A; Jacquet, A; Bassereau, S (2011). "Near-term fetuses process temporal features of speech". Developmental Science. 14 (2): 336–352. doi:10.1111/j.1467-7687.2010.00978.x. PMID 22213904.
  11. ^ Gross, W; Linden, U; Ostermann, T (2010). "Effects of music therapy in the treatment of children with delayed speech development -results of a pilot study". BMC Complementary and Alternative Medicine. 10 (1): 39. doi:10.1186/1472-6882-10-39. PMC 2921108. PMID 20663139.
  12. ^ a b Ghai, S; Ghai, I (2018). "Effect of rhythmic auditory cueing on parkinsonian gait: A systematic review and meta-analysis". Scientific Reports. 8 (1): 508. Bibcode:2018NatSR...8..506G. doi:10.1038/s41598-017-16232-5. PMC 5764963. PMID 29323122.
  13. ^ a b c Schwarz, AE; van Walsen, MR (2019). "Therapeutic Use of Music, Dance and Rhythmic Auditory Cueing for Patients with Huntington's Disease: A Systematic Review". Journal of Huntington's Disease. 8 (4): 393–420. doi:10.3233/JHD-190370. PMC 6839482. PMID 31450508.
  14. ^ a b c d e f Särkämo, T; Sihbonen, AJ (2018). "Golden oldies and silver brains: Deficits, preservation, learning and rehabilitation effects of music in ageing-related neurological disorders". Cortex. 109: 104–123. doi:10.1016/j.cortex.2018.08.034. hdl:10138/311678. PMID 30312779. S2CID 52971959.
  15. ^ a b c Stegemöller, Elizabeth (2014). "Exploring a Neuroplasticity Model of Music Therapy". Journal of Music Therapy. 51 (3): 211–217. doi:10.1093/jmt/thu023. PMID 25316915 – via Oxford Academic.
  16. ^ Weinstein, CJ; Kay, DB (2015). "Translating science into practice: shaping rehabilitation practice to enhance recovery after brain damage". Progress in Brain Research. 218: 331–360. doi:10.1016/bs.pbr.2015.01.004. PMID 25890145 – via Elsevier Science Direct.
  17. ^ Tiarhou, Lazaros (2013). "Dopamine and Parkinson's Disease". Madame Curie Bioscience Database – via NCBI.
  18. ^ Mayo Clinic Staff (May 16, 2018). "Huntington's disease". Mayo Clinic.