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

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

신동훈|이준기|권용주|양일호
한국과학교육학회 (The Korean Association for Science Education)|2007.02|한국과학교육학회지 (Journal of the Korean Association for Science Education)|제27권 제1호|pp. 93-104

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fMRIbrain activationbrain-based learningbiological phenomenagenerating hypothesismental arithmetic
주제분류교육학

초록

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 네트웤을 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.

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.

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