안내문 본연구보고서에기재된내용들은연구책임자의 개인적견해이며당재단의공식견해가아님을 알려드립니다. 한국과학창의재단이사장강혜련 - 2 -

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1 뇌기반특성에따른과학영재교육효과분석연구 The Analysis Effect of Education in Gifted Children According to Brain-based Characteristic

2 안내문 본연구보고서에기재된내용들은연구책임자의 개인적견해이며당재단의공식견해가아님을 알려드립니다. 한국과학창의재단이사장강혜련 - 2 -

3 제출문 한국과학창의재단이사장귀하 본보고서를 뇌기반특성에따른과학영재교육효과 분석연구 의최종보고서로제출합니다 사업기관명 : KAIST 연구책임자 : 김대식연구원 : 김애희연구원 : 이정수 - 3 -

4 목 차 논문요약 viii I. 서론 1. 연구의필요성및목적 1 2. 연구문제 3 II. 이론적배경및선행연구고찰 1. 뇌기반특성 뇌의구조와기능 뇌기반교육 5 2. 과학영재의정의와특징 5 3. 교육방법과교육과정의비교 과학영재고등학교교육과정 AP제도 (Advance Placement) PT제도 (Placement Test) R & E 제도 해외위탁교육제도 일반계고등하교 ( 과학중점학교 ) 교육과정 과학영재고등학교와일반계고등학교의교육과정특징비교 선행연구고찰 명상과대뇌피질두께에대한관련성연구 지능지수에따른뇌피질두께변화에대한연구 뇌기능영상측정법을이용한영재성평가의타당성연구 창의적인가설생성에대한뇌기능의국재화에대한연구 15 III. 연구의방법 1. 연구대상 검사도구 인지검사도구

5 K - WAIS RAPM 정서지능 (Emotional Intelligence) K TCPI( 창의성격검사 ) 기능영상도구 fmri의원리와특징 fmri 실험설계방법 fmri 과제제시 fmri 영상획득 연구절차 차실험 겨울방학 차실험 여름방학 자료처리절차및분석 인지검사분석 K WAIS RAPM Enotion Intelligions K TCPI 기능영상분석 뇌영상분석과정 fmri 분석을위한모수적통계방법 영상의전처리 통계적구조모형 35 IV. 연구결과및논의 1. 인지검사분석 차사전검사 차사후검사 Emotion Intelligions K - TCPI fmri 측정에서나타난두뇌활성분석결과 영재그룹 영재그룹의뇌활성영역 상위그룹 상위그룹의뇌활성영역

6 2.3. 두그룹의뇌활성영역 그룹간활성전도차이분석과두뇌영역별기능분석 fmri 과제수행시나타난두그룹의두뇌활성영역간활성정도차이 뇌의각영역에서두그룹의활성도차이분석과결과 두정엽영역 (Parietal lobe area) 측두엽영역 (Temporal lobe area) 전두엽영역 (Frontal lobe area) 후두엽영역 (Occipital lobe area) 기저핵 (basal ganglia) 변연계 (limbic system) 소뇌 (cerebellum) 두그룹의두뇌활성영역차이에대한논의 두뇌활성영역간의상관성 우측중심전회와우측중측두회 우측중심후회와우측각회 좌측중측두회와우측중측두회 우측각회와좌측하두정회의 좌측하두정회와좌측미상핵 좌측하두정회와우측해마 우측방추사와좌측미상핵 우측중심전회와좌측중측두회 좌측상전두회와좌측소뇌 우측상전두회와소뇌 우측하두정회와좌측하두정회 좌측상두정회와좌측상전두회 좌측하전두회와우측하측두회 두뇌활성영역간의상관성결과논의 대뇌피질분석결과 각그룹의영역별대뇌피질두께 영재그룹의영역별대뇌피질두께 상위그룹의영역별대뇌피질두께 각영역별대뇌피질변화정도 좌측후두정엽과배외측전전두피질 전측대상회와좌측각회의피질 측두영역피질 좌 우중전두영역피질 좌 우전두영역피질

7 7.3. 대뇌피질과 K KTCPI 간의상관성분석 94 V. 결론 결론 95 VI. 논의 ( 교육적함의 ) 및제언점 1. 논의 ( 교육적함의 ) 제언점및연구의제한점 제언점 연구의제한점 97 참고문헌 98 부록 103 그림목차 그림 1. Show P. et al.,(2006, Nature) 15 그림 2. fmri 과제설계 ( 블록설계모식도 ) 23 그림 3. fmri 과제설계 ( 사건관련설계모식도 ) 23 그림 4. fmri 과제설계 ( 혼합설계모식도 ) 24 그림 5. fmri 과제제시모식도 25 그림 6. fmri 영상분석절차 31 그림 7. 뇌영상분석과정 31 그림 8. fmri 분석을위한모수적통계모형 35 그림 9. fmri Design Matrix 36 그림 10. 영재그룹의뇌활성영역 42 그림 11. 상위그룹의뇌활성영역 43 그림 12. 영재 fmri 과제 ( 복합과제 ) 수행시활성화된뇌영역이미지 44 그림 13. 영재 fmri 과제 ( 복합과제 ) 수행시활성화된뇌영역

8 그림 14. 브로드만영역및위치 - 외측면 46 그림 15. 브로드만영역및위치 - 내측면 46 그림 16. 뇌해부학적영역및위치 - 외측면 47 그림 17. 뇌해부학적영역및위치 - 내측면 47 그림 18. 상위그룹의 fmri과제 ( 복합과제 ) 수행시활성화된뇌영역이미지 48 그림 19. 상위그룹의 fmri과제 ( 복합과제 ) 수행시활성화된뇌영역 49 그림 20. 영재그룹의뇌영역간활성정도차이 52 그림 21. 상위그룹의뇌영역간활성정도차이 53 그림 22. 우측각회, 좌측하주정회의활성에대한그룹간차이비교 54 그림 23. 좌 우하두정회의활성에대한그룹간차이비교 55 그림 24. 좌 우중측두회의활성에대한그룹간차이비교 56 그림 25. 상전두회영역의활성에대한그룹간차이비교 58 그림 26. 전두회영역의활성에대한그룹간차이비교 59 그림 27. 후두엽영역의활성에대한그룹간차이비교 60 그림 28. 좌측미상의활성에대한그룹간차이비교 61 그림 29. 좌측해마의활성에대한그룹간차이비교 63 그림 30. 소뇌에활성에대한그룹간차이비교 65 그림 31. 우측중심전회와우측중측두회 68 그림 32. 좌측중심후회와우측각회 69 그림 33. 좌측중측두회와우측중측두회 70 그림 34. 좌측하두정회와우측각회 71 그림 35. 좌측하두정회와좌측미상핵 72 그림 36. 좌측하두정회와좌측해마 73 그림 37. 우측방추사와미상핵 74 그림 38. 우측중심전회와좌측중측두회 75 그림 39. 좌측상전두회와좌측소뇌 76 그림 40. 우측상전두회와소뇌 77 그림 41. 우측하두정회와좌측하두정회 78 그림 42. 좌측상두정회와좌측상전두회 80 그림 43. 좌측하전두회와우측하득두회 81 그림 44. 영재그룹의영역별 1차대뇌피질두께 85 그림 45. 영재그룹의영역별 2차대뇌피질두께 86 그림 46. 상위그룹의영역별 1차대뇌피질두께 87 그림 47. 상위그룹의영역별 2차대뇌피질두께 88 그림 48. 좌측후두정엽과배외측전전두피질의변화 89 그림 49. 전측대상회와각회의피질의변화 90 그림 50. 좌 우측두엽영역의피질의변화 91 그림 51. 좌 우중전두엽영역 (BA10) 의피질의변화 92 그림 52. 좌 우전두엽영역의피질의변화 93 그림 53. 대뇌피질과 K TCPI 하위영역 ( 예술재능 ) 간의상관성이미지

9 표목차 표 1. AP인정과목과학점배당 8 표 2. PT가능과목및학점배당 9 표 3. R & E 제도의세부내용 10 표 4. 과학영재고등학교와일반계고등학교의교육과정특징비교 13 표 5. 정서지능검사의하위영역별문항구성 29 표 6. 1차인지검사분석결과 36 표 7. RMPM 1차, 2차검사분석결과 38 표 8. 정서지능 1차, 2차검사분석결과 39 표 9. K TCPI 1차, 2차검사분석결과 40 표 10. 영재그룹의 fmri과제 ( 복합과제 ) 수행시활성화된뇌영역 45 표 11. 상위그룹의 fmri과제 ( 복합과제 ) 수행시활성화된뇌영역 49 표 12. 두그룹의뇌활성영역비교 50 표 13. 우측중심전회와우측중측두회의상관표 68 표 14. 좌측중심후회와우측각회의상관표 69 표 15. 좌측중측두회와우측중측두회의상관표 70 표 16. 좌측하두정회와우측각회의상관표 71 표 17. 좌측하두정회와좌측미상핵의상관표 72 표 18. 좌측하두정회와좌측해마의상관표 73 표 19. 우측방추사와미상핵의상관표 74 표 20. 우측중심전회와좌측중측두회의상관표 75 표 21. 좌측상전두회와좌측소뇌의상관표 76 표 22. 우측상전두회와소뇌의상관표 77 표 23. 우측하두정회와좌측하두정회의상관표 78 표 24. 좌측상두정회와좌측상전두회의상관표 80 표 25. 하전두회와우측하측두회의상관표 81 부록목차 부록 1. 브로드만영역설명 ( 영문 )

10 부록 2. 브로드만영역설명 ( 국문 ) 104 부록 3. 감각관련피질 105 부록 4. 운동관련피질 105 부록 5. 한국과학영재고등학교교육과정편제표 106 부록 6. 과학중점학교교육과정편제표 108 부록 7. RAPM(Raven s Advanced Progressive Matrices Set II) 110 부록 8. K-TCPI(Khatena-Torrance Creative Perception Iventory) 110 부록 9. Emotional Intelligence( 정서지능 ) 측정도구

11 [ 논문요약 ] 본연구의목적은두그룹 ( 영재고등학교재학생과과학중점학교상위 1%) 을대상으로먼저시각적으로제시되는 fmri과제를수행하는동안의뇌활성영역들을분석비교하고, 둘째한학기동안의학교교육방법의차이로대뇌피질의구조변화에미치는영향의정도를분석하여과학영재교육의효과를분석하고자하였다. 따라서다음과같은연구문제를제시하였다. 연구문제 1 : 과제수행시과학영재그룹과일반상위그룹간의두뇌활성영역에는차이가있는가? 연구문제 2 : 과학영재그룹과일상상위그룹간에는과제수행시두뇌활성영역간상관에차이가있는가? 연구문제 3 : 과학영재교육이후기아동의대뇌피질구조변화에영향을미치는가? 이를위해본연구에서는실험군으로한국과학영재학교 1학년학생중에서선착순으로지원받은 42명중에서 fmri 촬영요건 ( 치아교정기와부상등으로몸에쇠붙이를장착한학생들을뺀 ) 에부합하는 30명을전화상담을통하여선발하였다. 비교군으로는실험군의일반지능레벨과교육과정의과학과목비중을최대한맞추기위해일반계고등학교중에서도과학중점학교 (5개학교 ) 의상위 1% ~ 2% 인학생들중에서 MRI 촬영요건을공문으로발송하여이에부합하는학생 30명을선착순 으로모집하였다 (n = 60 ; 연령 16 ± 0.6, 평균 ± 표준편차 ). 성년자들이므로부모동의를받았다. 실험참가자는미 연구절차는본연구의피험자들이고등학교 1학년생들이므로 1차실험은겨울방학기간으로잡았다. 연구의진행과정은고등학생들의학업에영향을미칠것으로사료되는인지검사 (K-WAIS, RAPM, 정서지능, KTCPI등 ) 를하고, 뇌형태학적분석을위하여 MRI촬영을하였다. MRI촬영은과제를수행하는동안의뇌활성영역을분석하기위한 fmri촬영과대뇌피질의구조변화를분석하기위한해부학이미지를촬영하였다. 자료의분석결과는다음과같다. 첫째, fmri 분석결과로는영재그룹의과제수행에대한전략 ( 뇌선호영역 ) 을알수

12 있었다. 즉, 우측각회 (RT_Angular_G) 와좌측하두정회 (LT_Inf_parietal_G) 그리고전두회 (Frontal_G) 의기능발휘에소뇌 (Cerebellum_8_L) 와기능통합이이루어지며, fmri과제수행시영재그룹이상위그룹에비해위의영역에서에너지를더많이사용하는것으로나타났다. 이러한결과는영재그룹이상위그룹에비해과제집착력과문제해결에대한의지가더강한이유라고사료된다. 둘째, 뇌영역간의상관성분석으로알수있었던것은두뇌는한영역의고유한기능만을사용하는것이아니라특정영역끼리의통합기능을발휘한다는것이다. 즉, 우측각회와하두정회, 소뇌와전두회, 그리고기저핵의일부인미상핵 (Caudate) 과두정회의통합기능을발휘한다는것이다. 셋째, 대뇌피질두께분석에서나타난결과는인간의발달과정중후기아동기인 고등학생시기에는대뇌의회백질에대량의 가지치기 가일어난다는것이확인되었 고, 전두엽의수초화가일어나고있음을확인하였다. 여기서무엇보다중요한발견은과학영재교육을받은영재그룹이전통적인주 입식교육을받은상위그룹보다 가지치기 가느리게일어난다는것과우측전두엽의 수초화가상위그룹에비해활발히일어나고있다는점이다. 이러한결과는과학영재교육장에서과학적탐구와고등사고를요하는창의적인토론수업방식과예비과학자로서의품성과자질을함양하는 R&E 프로그램은뇌기반특성에따른능력향상측면에서교수-학습전략수립과평가에적지않은시사점을던진다

13 뇌기반특성에따른과학영재교육효과분석연구 The Analysis Effect of Education in Gifted Children According to Brain-based Characteristic I. 서론 1. 연구의필요성및목적 21세기는뇌과학의시대이며, 뇌과학은바로인간을이해하는과학이다. 그러므로다양한학문분야를뇌기반에비추어연구분석하고해석하려는움직임은뇌과학적원리에대한체계적인고찰이결여된교육적연구관행에대한각성에기인한것으로학습과정에대한과학적접근이필요하다 ( 이정모, 2003) 아울러영재교육의열풍에발맞추어반드시동반되어져야할연구과제이다. 인력이국가경쟁력인우리나라에서는더더욱그러하다. 영재한명이 10만명을먹여살린다는어느경제학자의주장이대변하듯영재는국가의발전에지대한영향을미친다. 이에따라영재에대한과학적, 사회학적, 교육학적이해와영재성을살리는뒷받침이되는영재교육효과에대한분석은대단히중요한국가적과제라고할수있다. 영재의지적특성 ( 범재와의문제해결력의차이 ) 과뇌영역의선호도 ( 뇌의국소적활성화정도의차이 ), 뇌신경회로망의양과대뇌피질의주름의양및형태등을포함한두뇌형태의차이에대한연구는영재를본질적으로이해하는데결정적인역할을할것이다. 국내에서는 2002년부터영재교육진흥법이시행되면서정부차원에서영재교육을강화하고있다. 그규모도빠른속도로늘어나고있다. 25개대학교부설과학영재교육을통해뽑는영재수는 2010년 6025명이며, 한국과학영재학교에는 400여명이재학중이다. 시도교육청과각학교에도영재학급이설치되어 4만여명이넘는학생들이영재교육을받고있다 ( 교육과학기술부, 2010). 영재교육진흥법은영재의정의를 재능이뛰어난사람으로서타고한잠재력을

14 개발하기위하여특별한교육을필요로하는자 라고하였다. 타고난재능은뛰어나지만그능력을발휘하도록하기위해서는거기에걸맞는적절한교육이제공되어야한다는의미로해석할수있다. 그러나국내에이처럼영재교육이대대적으로이뤄지고있으나영재에대한연구는교육이나사회학적측면등에서산발적이면서도단편적으로이루어져왔다. 더구나영재의두뇌에대해서인문사회학과과학을융합, 연구한사례는찾아보기어렵다. 사회과학적으로는지금까지단편적으로일반지능 (Raven's Advanced Progressive Matrices : RAPM 세트 ) 검사나창의력검사 (Torrance Tests of Creative Thinking : TTCT) 등으로영재를판별하는수준의연구가주류를이루었다. 일부뇌파검사장치 (Electroencephalogram : EEG Machine) 나기능성자기공명단층촬영장치 (functional magnetic resonance imaging : fmri), 양전자방출단층촬영장치 (positron emission tomography : PET) 등을이용해뇌파의발생종류와뇌의정보처리속도, 감각기관의예민성, 자극에대한뇌활동부위영상확인등을지표로삼아영재성을알아내려는연구가지속되어왔다. 이역시영재의두뇌를이해하는데는한계가있었다. 인간의두뇌가워낙복잡하고, 두뇌활동의모든것을눈으로직접보기어렵기때문이다. 그래서과학영재와창의적인과학영재교육효과에대한이해는기존연구에서좀더많은평가지표들이동원되어복합적인분석이필요한시점이다. 그중에서도영재성평가에대뇌피질의구조변화 ( 대뇌피질두께변화 ) 는과학영재교육효과를평가해볼수있을것으로기대되는부분이다. 이에따라한국과학영재학교에재학중인영재들의영재성평가및과학영재교육효과와대뇌피질간의상관관계를밝혀보는것은대단히중요한일이다. 과학영재교육의효과를정성적평가에의존하던기존방법을대뇌구조학적차원에서뇌의국소적활성화정도의복합적인측정을통해서평가에접근할수있는단초를제공할수있기때문이다. 지금까지국내외를막론하고이런연구는시도된적이없다

15 2. 연구문제 연구문제 1 : 과제수행시과학영재그룹과일반상위그룹간의두뇌활성영역에는차이가있는가? 연구문제 2 : 과학영재그룹과일상상위그룹간에는과제수행시두뇌활성영역간상관에차이가있는가? 연구문제 3 : 과학영재교육이후기아동의대뇌피질구조변화에영향을미치는가? II. 이론적배경및선행연구고찰 이장에서는본연구활동의배경이되는뇌기반에대한학술적이론과국내외 선행연구들에대한고찰과영재뇌의특징에대한문헌고찰을하였다. 1. 뇌기반특성 1.1. 뇌의구조와기능 우리의뇌는물, 단백질, 지방, 조직 (tissue) 이매우복잡한구조로이루어져있다. 뇌의무게는체중의약 2% 정도이지만, 신체에너지전체의약20% 를사용한다. 과학자들은뇌를해부학적으로크게 5개로구분한다. 즉, ➀ 대뇌반구를포함하는중뇌 ➁ 시상과시상하부가포함되는간뇌 ➂ 중뇌 ➃ 뇌교와소뇌가포함되는후뇌 ➄ 연수이다. 대뇌반구의표층은주로신경세포로구성된회백질 (gray matter) 과대뇌피질 (cerebral cortex) 그리고대뇌피질로출입하는신경섬유들로구성된대뇌백색질 (cerebral white matter) 이있고, 그안쪽의피질하부에있는회색질인기저핵 (basal ganglia) 과변연계 (limbic system) 로구성되어있다. 회백질 (gray matter) 은 2mm 정도두께의대뇌피질 (cerebral cortex) 이다. 대뇌피질 1mm2에는약 100,000 개의뉴런 ( 신경세포 ) 이있는데, 사람의뇌는수백억의뉴런으로이루어져있다. 이러한대뇌피질은신경섬유다발로이루어진신경로인백질을감싸고있다. 또, 회백질 (gray matter) 은주로신경세포와수상돌기를포함하고있어서포르말린으로고

16 정했을때회백색으로보이고백질은수초로둘러싸인축삭으로이루어져백색으로 보인다 ( 박찬웅, 2005). 이러한특징을지닌대뇌피질 (cerebral cortex) 영역을과학자들은또한중요한주름을경계로해서 4개의구역 ( 엽, lobe) 으로나뉜다. 이들 4개의엽은동시에성숙하지않으며, 각각발달시기가다르다. 학습으로뇌에새로운정보가들어오면시냅스에물리, 화학적인변화가일어난다 (Neil R. Carlson, 2008). 즉, 일련의뉴런이함께발화하는데그과정이반복될경우발화가더용이해지고, 결국어떤시점에이르면자동화된다. 그러므로작은기억연결망들이점차큰연합을이루게되고또한학습을통해뇌에해부학적변화가일어나게된다. 따라서뇌구조가조금씩달라지고, 뇌의활성화정도의개인차가나타난다. 그기준으로는두뇌피질의좌우를가르는종렬 (longitudinal fissure), 전후를나누는중심열 (central fissure) 과측두엽을전두엽이나두정엽과나누는실비우스 (sylvius) 열이있다. 중심열앞이전두엽 (frontal lobe - 정서, 판단, 창의성, 의사결정, 계획 ) 으로복잡한운동기능을담당하는운동전피질 (premoter cortex) 과지적기능을담당하는전전두섬유 (prefrontal fibers) 로구성되어있다. 또한전두엽은정서를주도적으로담당하는변연계와도연결되어있어서이성과정서를통제하기도한다. 두정후두열앞쪽의두정엽 (parietal lobe - 고감각, 공간, 단기기억 ) 은모든감각수용기로부터정보를받는일차감각피질 (primary sensory cortex) 과신체의특정부위에해당하는중심후회 (postcentral gyrus) 가있다. 후두엽 (occipital lobe - 시각정보의수용및처리 ), 그리고 sylvius 열아래뒤쪽이측두엽 (temporal lobe - 언어, 쓰기, 듣기, 감각연결, 뚜렷한기억 ) 은청각과기억에관련된부위로기억, 정서적안정, 학습, 자기존재의확인, 사회화와통합화의기능으로작용한다.( 이정모외, 2009). 현재가장많이쓰이고있는대뇌피질영역의분류는브로드만의분류이다 년브로드만 (Brodmann) 이처음으로고안한브로드만영역은대뇌피질을기능에따라 47개의번호를매겼다. 브로드만영역을지도로표시한것을그림14번, 15번에나타내었다. 이들영역들은기능상으로서로차이가크며형태학적으로운동성피질, 체성감각영역, 감각운동피질, 보조감각영역, 시각성피질, 청각영역과심리적피질영역으로분류하기도한다. 이러한대뇌피질의영역별기능은사회적 문화적 환경적요인에따라인지와행동에직간접적인영향을미친다

17 그러므로아동 청소년의뇌는과거의경험에대한대부분의기억이대뇌피질 (cerebral cortex) 에저장이되고, 학습과관련된기능을주로하며, 학교에서어떤내용의학습을어떤방법으로하느냐하는것까지도고스란히대뇌피질에저장되는것이다. 그러므로창의적인과학영재교육을받는학생과주입식교육을주로받는학생간에는뇌형태학적변화차이가있을것으로추론한다 뇌기반교육 뇌기반교육은뇌에관해알고있는사실과일치되는원리와전략을적용하는교육이다. 즉, 인간의사고및학습과정에대한과학적이고체계적인접근방법으로뇌의인지기능및구조에대한과학적이해를바탕으로학습자의뇌를효율적으로활용할수있는적절한교수 / 학습환경을디자인하고자하는실용적목표를둔새로운접근이다 ( 김성일, 2006). 따라서뇌기반교육은학습자로하여금기존의지식을전달하여이해시키는전형적인전통적지식전수중심교수방법 ( 일반고교 ) 이아니라환경에적응하며발달해나가는뇌의특성을고려한교수방법이다. 예를들면, 뇌 가학습하는과정처럼과학교육을과학개념보다는과학적문제로부터출발하여적절한탐구과정과문제해결과정을거쳐과학적사고능력을체득 ( 이정모외, 2003) 하고결과적으로경험지식으로서의과학지식을습득하고활용할수있는능력을함양하고자하는교육이다. 그러므로과학적재능과탐구력이뛰어난과학영재들에게적용되고있는교수방법 ( 영재고교의교육과정의일부인 R&E 프로그램 ) 이다. 따라서과학영재학교학생들은학습재료에대한이해수준을넘어서서활동중심의체험과경험학습속에서창의적으로문제를해결해나가며, 토론을통한깊이있는지식과지식구성과정의공유를실제적이고실천적인교육을해나가고있다고볼수있다. 2. 과학영재의정의와특징 영재를지칭하는용어들은다양하다. 따라서학문분야에서우수한능력을지칭하기위해사용하는용어인 gifted를 Sousa는 영재 (gifted) 란한분야이상에서수행수준이특별히우수하거나그럴잠재성이있는자 라고정의내린다 (David A. Sousa, 2003)

18 또한과학영재에대해 Renzulli의정의는 일반능력및특수능력이평균이상이며과학분야의과제집착력과흥미와호기심이높고창의력이뛰어나며, 장래과학분야에서뛰어난업적을이룰것으로예상되는자 로 이들의능력을개발하기위해서는특별한과학프로그램이제공되어야한다 고했다 (Renzulli, 1986). Walberg(1981) 는과학영재를 사람보다는사물에관심을갖고, 느낌보다는아이디어에더치중을하고, 정서적인친밀감은좋아하지않는경향이있으며, 강한지구력과추진력으로어려움을굳건히대처하며, 과제에대한강한집착력으로과제를잘완성하는경향이있다. 또한과학영재들은독서를즐기는반면학교행사에는별로흥미를갖지않으며, 창의성보다는지능을더높게평가하는경향이있고, 자신의미래에대해서는구체적으로계획을세운다. 게다가직업의안정성에대해서도또래들보다관심을많이갖는경향이있다 고정의를내렸다. 이처럼영재에대한학자들마다의다양한정의들이주장되지만영재들의특징들은한마디로표현하기는쉽지않다. 다만우리들대부분은어떤사람의행동을보고그가영재임을짐작한다. 최근에는영재를이해할때 IQ점수로판단하는추세가크게감소하면서, 그들의심리적특징과사회 정서적특징을찾는연구 (Robinson & Clinkenbeard, 1998) 들이확대되는추세이다. 인지신경과학자들은첨단영상기법, EEG, MEG와같은장비들를사용하여영재들의사고과정에서뇌구조와기능이범재와어떻게다른지에대한연구물들을내놓고있다. 위의정의들에따르면과학영재의특징은다소냉소적이고이기적이며, 정서적인면에서도정서지능의어떤하위영역에서는낮게나타날수있으며, 대인관계기술면에서도용이하지않을가능성이다분하다고해석될수있다. 즉, 과학영재들이외부의다양한요소들로인해영재성을발휘하지못할수도있다는것으로사료된다. 그러므로과학영재의잠재력과두뇌메카니즘의특성을고려한학습환경, 교육과정들을고루갖추어영재성을최대한발휘하도록지원하는것은과학기술인력을확보하는것이며, 나아가국가경쟁력을신장시키는결과가될것이다

19 3. 교육방법과교육과정의비교 학습은학습자가이미알고있는경험지식에새로운지식을연계시키는것으로교사가지식이나기능습득을효과적으로수행할수있도록도와주는활동인수업에의해일어난다고본다. 즉, 학습자가지식정보에대한설명을듣고그저단순히외우도록하는것이아니라, 학습자가그지식정보를스스로적극적으로구성하고, 자신의인지구조에존재하는기존의경험지식과의연계에의해정보들을재구성하는일을하도록안내하고도와주는것이진정한교수 ( 가르치는일 ) 라고할수있다. 그러므로학습은인간의감각적수용기관을통해들어온외부의자극을선택적으로수용하여단기기억이나장기기억과정을통해정보처리를하고, 반응기관을통해자극에반응하는일련의과정을거쳐서이루어진다는것이다 ( 윤광보, 2005). 따라서교육기관에서이루어지는학습은학습자가정보와지식을뇌에저장하는과정이기때문에교육담당자들은뇌에서학습이어떻게이루어지며, 어떤교수방법이뇌가효율적으로학습도록주도하는가에대한뇌의정보처리과정을숙지해야하며, 학습자의인지수준에적합한교수방법의적용에대한연구결과들에대한이해가반드시필요하다. 왜냐하면뇌기능에기반한교육과정과교수법그리고교육환경이야말로학습자의뇌기능과학업능력이자연스럽고도최대로발휘될수있을것이기때문이다 과학영재고등학교교육과정 한국과학영재학교의교육과정은아래와같은교육목표아래이루어지고있다. 첫째, 과학적탐구능력과창의성의신장. 둘째, 새로운지식을창출하는자기주도적학습능력배양. 셋째, 세계적수준의과학자로성장할수있는능력과품성함양이다. 이러한교육과정의기본방침으로는무학년졸업학점제운영이다. 그것은학생선택의자율성을확대하고, 필수과목외에선택과목을확대하는맞춤식교육과정운영과 AP제도, PT제도를운영하여학생의속진 심화의기회를확대하고 KSA Honors' Program, 해외위탁교육등의특수한프로그램운영으로관심분야의전

20 문성과연구능력을배양하기위한학생주도적인자율연구및위탁교육이이루어지고있다. 또한학습자주도적인자율연구와위탁교육과정으로는 R&E프로그램이진행되고있으며, 전인교육을위한정의적, 사회적영역의고른발달과지도자로서의소양을기르기위한동아리활동과특별활동을강화하고있다. 과학영재학교의교육과정인 AP 제도, PT 제도, KSA Honors' Program 운영, R & E 제도, 해외위탁교육등의특수한프로그램과입시에대한부담을갖지않는교육 과정은아래와같다 AP 제도 (Advance Placement) AP제도 (Advance Placement) 는대학교과정을미리이수하여학점을인정받는제도이며, 몇몇대학과의학점인정협약을통하여진행된다. 이제도의수혜자는학교장의추천을받은학생들이다. 게다가 AP를통한학점취득은협약대학들에서 AP과정으로인정한과목들에만가능하며, 그과목은주로그대학의 1,2학년필수과목으로지정하고있는과목들이다. 교재는모두원서로대학에서사용하는교재를그대로사용하며, 수업운영방식도대학과유사한방식으로토론과발표로진행되고있다. AP 제도에협약을맺고있는대학은 KAIST, 서울대학교, 포항공대등이다. AP 인 정과목과학점배당은아래표와같다. [ 표 1] AP 인정과목과학점배당구분기본선택심화선택 1학선형대일반생물프로그래밍I 일반물리I 일반화학I 기미적분학I, 수 I I 과학점 미적분학II 목 2학일반물리I 일반화학I : 각 3학점 - - 기 I I 학점 출처 : 영재학교홈페이지, 학교교육계획서 (2010)

21 PT 제도 (Placement Test, 특별학점인정제도 ) PT제도 (Placement Test, 특별학점인정제도 ) 는특정과목 ( 수학, 물리, 화학, 생물, 지구과학, 정보과학, 외국어교과군에해당되는과목 ) 을이수하지않고그과목에대한학력정도를평가 ( 과목당시험은년 1회 ) 하여그실력이인정된학생 (P.T 를거쳐 A+, A0, A-학점이상을받은경우 ) 에게 Academy Advisor의상담을거쳐, PT통과여부 (P/F) 를결정하고, 동일계열의보다더높은수준의수업을들을수있는기회를제공하는것이다. 이때 PT의평가는학기중의수강과목과평가기준이동일하게적용되며, 기타세부사항은교육과정위원회의심의를거쳐학교장이정한다. 이러한 PT제도의운영은일반고등학교의교육과정으로부터자유로울뿐아니라개인이가지고있는지식과능력을고려하여보다더심도있는과학영재의학문적호기심을충족시키기위한것이다. [ 표 2] PT 가능과목및학점배당 수학 과학 정보과학 외국어 계 물리학 (4), 실시화학 (4), 프로그래 1학기수학I(5) 가능지구과학 (4), 밍 I(2) 영어 I(4) 7개과목 과목 생물학 (4), 2학기 수학II(5) - - 영어 II(4) 2개과목 학점 출처 : 영재학교홈페이지, 학교교육계획서 (2010년도) KSA(Korea Science Academy) Honors' Program 운영 이제도 (KSA) 는영재학교입학후 4학기까지평점평균이 3.0이상인매우우수한학생들에게주어지는기회이다. KSA Honors' Program에등록할학생들은먼저교육과정위원회의심의를거쳐서등록을할수있다. KSA는 KAIST에서운영되는 Honors' Program으로참여학생들이수강한과목은 KSA의학점으로인정되며추후 KAIST에진학한경우 KAIST 학점으로인정한다. 또한 Honors' Program 참여학생은 KAIST 과학영재교육연구원에서관리를담당하며, Honors' Program 운영에관한세부사항은학교장이따로정한다

22 R & E(Research and Education) 제도 R&E제도는고등학생들이전문가 ( 대학교수, 박사연구원및교사 ) 의도움을받아실제과학연구에참여하면서첨단과학지식, 과학연구방법, 과학적논의과정등을습득할뿐만아니라과학자로서의삶을체득하게하는목적으로이루어지고있는교육제도이다. 따라서 R&E제도는과학영재교육의핵심이라고할수있다. 왜냐하면이제도는 해외위탁교육프로그램 과더불어뇌기반학습방법의특징으로이루지는한국과학영재학교의대표적인프로그램이라고할수있기때문이다. R & E 제도의첫단계는기본 ( 배경 ) 지식습득및연구설계를검토하고학기중에사사교육 ( 매주토요일 4시간 ) 과방과후교육과사이버통신교육으로이루어진다. 두번째단계는연구기기사용및 DATA수집을한다. 이때방학 ( 하계, 동계 ) 동안국내외협약교육기관과연구소그리고협약대학을방문 ( 팀자율 ) 하여이루어진다. 세번째단계는자료를처리하고연구결과정리및보고서를작성한다. 이때책임지도자의소속기관이나영재학교에서주로진행되는연구학습이다. 따라서 R&E 프로그램은영재학교와대학의우수한연구인력, 연구시설, 연구주제를통하여과학영재들의과학적사고력및탐구력, 창의력을키워주기위해국내에서최초로한국과학영재학교에적용되고있는교육프로그램이다. 이제도의세부내용은아래표와같다. [ 표 3] R&E제도의세부내용연구학생들이제안함을원칙으로하되, 지도교수및지도교사의연구주제지도를받아팀별로정한다. 연구인원 3 ~ 5명연구기간 1년간 1 지도교수, 지도교사, 학생 2 지도교수, 학생지도교수는 KAIST, 포항공대, 서울대학교교수를주로하며, 영연구팀재학교구성원기자재를사용하는경우에는부산지역교수를지도교수로정할 연구관련 수있다. 수학, 물리, 화학, 지구과학, 생물, 정보과학분야로총36개의연

23 분야및구과제로이루어진다. 연구과제수연구평가 P/F제로하며, 학기당 5학점이부과된다. 1단계학기중사사교육 ( 매주토요일 4시간 ) R&E 여름방학, 겨울방학때각각위탁교육과정을거치 프로그램 2 단계 습으로이뤄진다. 출처 : 영재학교홈페이지, 학교교육계획서 (2010) 며, 과학수학그리고정보과학에관련한심화연구학 해외위탁교육제도 해외위탁교육제도는방학기간중 2주간씩연 2회이뤄지는연수교육이다. 이제도는한국과학영재고등학교와 MOU(Memorandom of Understanding, 양해각서 ) 를체결한 11개나라와 18개기관의지속적인학생및교원의교류로이루어지고있다. 대상국가로는미국, 캐나다, 유럽 ( 영국, 독일 ), 러시아, 동남아 ( 싱가포르, 홍콩, 대만등 ), 이스라엘, 일본, 중국등이다. 대상대학교는하버드대, 스텐포드대, 존스홉킨스대, MIT, 예일대, 코넬대, 프린스턴대, 카네기멜론대, 일리노이주립대그리고캠브릿지대학 ( 영국 ), University of Warwick 영재프로그램 ( 영국 ) 등이며, 연구소로는파스테르연구소 ( 프랑스 ), 페르미연구소, 알곤연구소, NIH 등이다. 영재학교로는모스크바대학교부설콜로모고르프수학물리학교, IMSA, North side College Preparatory high School, 토마스제퍼슨과학기술고등학교, 노스캐롤라이나수학과학고등학교, Israel Art and Science Academy등이다. 영재센터로는조지아대의토렌스센터와퍼듀대의영재교육센터그리고코네티컷대의국립영재교육센터등이다. 2010년에체결된기관으로는영국의 Camborne Science and Community College과말레이시아의 Alam Shah Science School이다. 또한 MOU 미체결기관과도지속적인교류를확대 ( 미국의 Shenandoah Valley Governor s School 과독일의 MINT EC Schools) 하고있으며, 기존의국제공동연구도지속적으로추진 ( 러시아의 Moscow Chemical Lyceum) 하고있으며, 미국의 Tomas Jefferson High School 와도신규추진중이다

24 국외주요기관의내교협조로는스웨덴의고덴보그시부시장단과교토대학교입학담당자, 그리고큐슈대학교의글로벌 30 프로그램관계자, 북경제II학교교장단, 태국 Suranaree University of Technology 및 Princess Chulabhorn s College Nakhon Si Thammarat 교장단, 츠크바대부설코마바중고등학교교사등이다. 게다가한국과학영재학교의뇌기반특성을고려한교육과정속에있는학생들의경우일반계고등학교학생들과는달리입시에대한부담이덜하다. 왜냐하면과학영재학교와연계된대학 (KAIST, POSTEC, 서울대학교, 해외결연대학등 ) 들에서일반고등학교입시생들이갖추어야할요건 ( 성적등기타대학입시에서요구하는것 ) 들을면해주기때문이다. 이처럼졸업후의진로에대한불안감이덜하므로일반고교생에비해상대적으로현실적인압박이덜하다. 따라서개인흥미에따른학습과창의적인과학영재교육을안정적으로받을수있다 ( 학교교육계획서, 2010) 일반계고등학교 ( 과학중점학교 ) 교육과정 일반고등학교의교육과정은교과과정에서요구하는방대한양과대학수학능력시험을대비해야하는과중한부담감등으로시험과성적에대한책임적압력으로여전히강의법이주된교수법 ( 주입식교육 ) 이다. 여기서중요한하나는학생들로하여금비판적으로사고하고, 문제를창의적으로분석할수있는기회를제공하지못한다는것이다. 그야말로뇌기반학습방법의특징과는거리가멀수밖에없다. 이러한교육환경과교육과정속에있는학생들은당연히뇌의자극을갈망하는불만 ( 수능의노예등 ) 이늘어날수밖에없다. 학생들이학습환경을긍정적으로느낄때, 엔돌핀이라는뇌신경호르몬이방출된다. 엔돌핀은행복감을생산하고전두엽을자극한다. 그래서학습경험을더즐겁고성공적으로만들뿐아니라학업성취도는자연히높아진다. 반면에학생들이학습에스트레스를받고학습환경에대해부정적으로느끼면, 코르티솔이라는뇌신경호르몬이방출된다. 코르티솔은뇌와몸전체를다니면서싸움또는도피와같은방어행동들을활성화시키는호르몬으로스트레스의원인과이에대한대응방법에집중하기위해전두엽활동이줄어든다. 특히코르티솔은정서기억들의회상을방해한다 (Kuhlmann, Kirschbaum, & Wolf, 2005). 따라서학습자가학습과제에주

25 의집중하는것에어려움을느끼게된다. 또하나중요한것은수면문제이다. 적절한수면은기억저장과정에매우중요하다. 특히후기아동기 ( 청소년들 ) 는더욱그러하다. 그러나대부분의고등학교에서는 0교시수업이이루어지고있으므로수면리듬이자꾸늦어지고있는청소년들에겐수면부족을유발한다. 수면부족은기억저장과정을방해할뿐아니라, 다른문제들도일으킬수있다. 학생들은교실에서잠들거나예민해질수있으며, 더나쁘게는피곤함으로인하여조심성이떨어져서학교에서의사고를일으킬수있다.(Acebo, Wolfson, & Carskadon, 1997 ; Millman, 2005 ; Schacter, 1996) 일부연구들은잠이부족한학생들이잠을오래잔학생들보다학교에서더낮은성적을받는다는결과들을보여준다. 또한수면부족인학생들은낮시간동안더많이졸려하고우울해한다 (Wolfson & Carskadon, 1998). 반면에, 영재학교에서는각자의수면과, 신체리듬을고려한수강신청이가능하므 로수면리듬이늦은학생들은자신의수면리듬을고려하여하루의첫수업시간을 늦은시간으로잡는다고한다 ( 인터뷰내용 ) 과학영재고등학교와일반계고등학교의교육과정특징비교 두그룹 ( 한국과학영재고등학교, 일반계과학중점학교 ) 의교육과정특징을뇌기반 특성을중심으로분류하면아래표와같다

26 [ 이정모외, 2003] 4. 선행연구고찰 뇌의형태와신경망은고정되어있지않다. 뇌의신경에서부터뇌의형태는태아 시절부터사망에이르기까지끊임없이변한다. 그런변화는학습등외부자극에의 한것이대부분의원인이다. 이러한뇌의특성을이용해서국내외에서진행된연구현황을살펴보면아래와 같다 명상과대뇌피질두께에대한관련성연구 Sara Laza(2005) 는장기적인명상이대뇌피질을두껍게만든다는사실을밝혀내 Neuro Report에보고하였다. 이연구의피질두께의변화는뇌의우반구에서두드러지게나타났다. 그이유는우반구의뇌기능이주의력을집중하는데관여하며, 게다가명상의핵심이이같은주의력집중에있기때문이라는것이다. 이연구는주의집중을강하게하는창의적인과학영재교육도피질의두께에변화를가져올수있다는개연성을나타낸다. 창의적인과학영재교육을받는영재와주입식교육을받는범재들의뇌형태학적변화를살펴보면흥미로운결과를얻을가능성이있다 지능지수에따른뇌피질두께변화에대한연구 지능지수에따른대뇌피질두께변화에대한연구는미국국립보건원 (NIH) Philip Shaw 박사팀이 2006년 Nature에보고한논문이최초이다. 그리고아래그림의결과를통해서 2009년캐나다맥길대학몬트리올신경연구소 (MNI) 의정신과전문의셰리프카라마박사는 NIH와공동연구로지능은대뇌피질을구성하는전

27 두엽, 두정엽, 후두엽, 측두엽의피질두께에따라개인차가발생한다고밝혔다. [ 그림 1] Show, P. et al., (2006) 4.3. 뇌기능영상측정법을이용한영재성펑가의타당성연구 이건호교수팀은 fmri를이용한연구에서영재군이일반군에비해좌우반구의외측전전두엽피질 (lateral PFC), 전대상피질 (ACC), 후두정엽피질 (PPC) 부위가높은활동성을보임을밝혀냈다. 개인별일반지능수준과두뇌활동성사이의상관도를분석한결과후두정엽피질에서가장높은상관도를보였으며, 다른영역역시비교적높은상관도를보인것으로나타났다. 한편영재군은일반군에비해지능지수에서는월등히높은수치를보였으나창의력지수에서는크게차이를보이지않았다. 이러한연구들은 IQ 테스트를한뒤뇌성장발달을연구한것으로뇌형태학적변화와지능을연결한연구이며과학영재교육효과를그결과에직접대입하는것은무리가있다고본다 창의적인가설생성에대한뇌기능의국재화에대한연구 권용주 (2007) 는창의적인가설생성학습과설명적이해학습이라는서로다른두가지학습전략으로지속적인학습이학생들의두뇌발달에미치는영향을알아보는연구를하였다. 연구에참여한피험자 18명은사전에창의적으로가설을만들어내는능력을측정한후이들이가설을만드는능력의차이가나지않도록두집단으로나누었다. 이들두집단에게 2개월간한집단에게는가설을창의적으로고안하는수업을하고, 다른한집단에게는학생들이가설을만들기이전에교사가

28 개입하여그답을설명해주고학생들은선생님의설명을듣고이해하는방식의수업이실시하였다. 2개월후의결과는가설을스스로생성한팀에서만의미있는향상이나타났다는연구이다. 연구팀은또한 fmri( 기능성자기공명영상장치 ) 를이용하여두그룹에대한수업전후의두뇌활성변화를측정하였다. 그결과창의적인가설생성학습과설명적이해학습이라는두수업의방식에따라달라질수있음이확인되었다는내용이다. 이연구는수학이나과학과목에서주어진공식을선생님께설명을듣고그대로외우는일반학교의주입식교육방식과는달리수학 과학과목의어떠한공식을그공식이나오기까지의과정을자기만의방식으로찾아가는영재학교의창의적인수업방식과도일맥상통하다고할수있다. 또한가설생성반의좌측전두엽영역의활성도가높아졌다는것은그부분에대한대뇌피질변화를살펴보게하는흥미를갖게한다. III. 연구의방법 뇌기반특성에따른과학영재교육의효과를분석하기위해먼저뇌기능영상법 (fmri) 을통해과제를수행하는동안의뇌활성화영역을살펴본다. 다음으로선행연구에서나타난영재들의뇌활성부위인전전두피질, 후두정엽피질등의형태변화를바탕으로본연구에서나타난영재들의뇌활성영역들간의차이와피질두께를분석한다음과학영재와일반학교의상위그룹학생들간의뇌형태변화차이를분석한다. 그에앞서과학영재들을보다세밀하게이해하기위해일반지능검사, 창의적성격검사를비롯하여아동, 청소년들의성장과학습에있어서정서의강력한영향을이해하는것이중요하므로정서지능을검사한다. 정서는이성과상호작용하여개인의관점을결정하는가하면, 학습을지원하거나방해하기도하므로정서를효과적으로활용하는사람은더성공적이고생산적인사람이될것 (Goleman, 1995) 이라는점에서이다. 마지막으로위에제시한여러분석결과들과종단적뇌피질두께변화양상를추적하여과학영재와일반학교상위그룹학생들간의차이로규명하여뇌기반특성에따른과학영재교육의효과를도출할것이다

29 1. 연구대상 한국과학영재고등학교 1학년학생을선착순으로지원은받은 42명중에서 fmri 촬영요건 ( 치아교정기와부상등으로몸에쇠붙이를장착한학생들을뺀 ) 에부합하는 30명을전화상담을통하여선발하였다. 비교군으로는실험군 ( 한국과학영재고등학교 ) 과일반지능레벨을맞추기위해일반학교 (5개학교 ) 의상위 1% ~ 2% 인학생들중에서 MRI 촬영요건을공문으로발송하여이에부합하는학생 30명을모집하였다 (n = 60 ; 연령 16 ± 0.6, M ± SD). 실험참가자는미성년자들이므로부모동의를받았다. 2. 검사도구 2.1. 인지검사도구 K WAIS K - WAIS 지침서에따르면 1981년판 WAIS -R(Wechsler Adult Intelligence Scale - Revised) 은 1939년판 W - BI(Wechsler Bellevue Intelligence Scale) 의 Form 1을개정한 1955년판 WAIS(Wecshler Adult Intelligence Scale) 의재개정판이며, K-WAIS는 WAIS의한국판 KWIS에대한첫번째개정판이다. K - WAIS는 WBI나 WAIS 또는 WAIS -R과마찬가지로 11개의소검사고구성되어있다. 이중에서 6개의소검사는언어성검사 (Verbal Scale)- 기본지식문제 (Information), 숫자외우기 (Digit Span), 어휘문제 (Vocabulary), 산수문제 (Arithmetic), 이해문제 (Comprehension), 공통성문제 (Similarity). 5개의소검사는동작성검사 (Performance Scale)-빠진곳찾기 (Picture Completion), 차례맞추기 (Picture Arrangement), 토막짜기 (Block Design), 바꿔쓰기 (Digit Symbol) 로구성되어있다. 이와같은 K-WAIS의소검사 WAIS-R(1981) 의문항이그대로수용되거나문항의내용이약간수정된경우와문화적요인을고려하여새로운문항으로대치된경우로분류된다. 숫자외우기와바꿔쓰기, 토막짜기등의 3개소검사는전체문항이 WAIS-R과동일하지만, 어휘문제의대부분의문항은새로운단어로대치되었다. 그밖의다른소검사들은 WAIS-R과동일하거나유사한문항과새로제작된문항을모두포함한다

30 K-WAIS의적용범위는 16세이상부터 64세이하의성인을대상으로지능검사를하며, 매우높은능력을가진성인들에대해정교한변별을하기위해고안된것이아니기때문에, 150이상의 IQ( 매우뛰어난높은지능으로서모집단평균에서 3표준편차이상의점수 ) 는실시요강에나타나있지않다. 그리고지능검사실시시에는 1대1로검사해야하며, 소요시간은 1시간에서 1시간 30분정도소요된다 RAPM( 검사요강 ) 현재우리나라에서표준화된지능검사도구로가장많이쓰이고있는것이 Wechsler(K-WISC IV, K-WAIS) 이지만시간적, 공간적제약을덜받고동시에많은인원에대한지능정보를얻어야할때사용하는검사도구로는 RAPM지능검사도구를사용한다 ( ). RAPM(Raven's Advanced Progressive Matrices set II) 검사는 Raven시리즈로서 1938년에 SPM으로최초출간되었고, 1941년에는고급능력을찾아내야할필요성으로 APM 초안이나왔고, 1047년에제한된부수로발행되었다. 그리고 1947년에 CPM(coloured progressive matrices, 색채누진행렬지능검사 ) 도출간되었는데, CPM은어린아동, 노인, 지적결함가능성있는수검자들에게매우유용하게사용되었다. 이들 Raven 시리즈들은수차례수정을거쳐왔는데그중에서도가장큰수정을거친것은 APM(Advanced Prdgressive Matrices) 검사이다. APM(I) 은고차원의추론능력을알아보기위해서 ; (II) 는높은능력을가진집단을구분하기위해서 SPM(standard progressive matrices, 표준누진행렬지능검사 ) 을반복해서감사한경우에점수가상향된경우에특히중요하게사용됨 ; (III) 은정확한지적활동의속도를평가하기위함목적으로개발되었다. 그러므로 APM은추론능력혹은효율적사고력을빨리알아볼수있으므로적용범위는청소년이상의영재성판별을요할때주로사용한다. 이와같이 RAPM은일반지능 (g) 를측정하는대표적인검사이다 (Marshalek et al, 1983; Snow, 1989) 정서지능 (Emotional Intelligence) 현시대의고등학생들은 60% 이상이영유아시절의중요한시간을보육시설에서 보내며자랐다. 이러한환경에서정서적안정의결여와애착형성의결핍을느낀

31 아동들도있을것이다. 정서적안정의결여와애착형성의결핍은뇌를변화시킬수있다. 또한일상적인스트레스유발인자에민감하게반응하도록할수있다 (Ramey & Ramey, 2000 ; Schore, 2000). 따라서과학영재을비롯한고등학생들을이해하려는여러가지노력 (WAIS, KTCPI, RAPM등 ) 이있지만여기에정서지능을고려하지않을수없다. 골먼 (1995) 에의하면정서는이성 ( 이성 ) 과상호작용하여개인의관점을결정하는가하면, 학습을지원하거나방해하기도하기때문에정서를효과적으로활용하는사람은더성공적이고생산적인사람이될것이라고했다. 따라서아동의성장과학습 ( 교육 ) 에서정서지능의강력한영향력을강조했다. 이러한개념은 1990년 Peter Salovey와 John Mayer가정서지능의모형-정서의인식과표현능력, 정서의사고촉진능력, 정서지식의이해능력, 정서조절능력을내놓으면서처음으로공식화되었다. 정서지능은사고능력, 즉기억력과추리력등을발휘하게하거나또는그런능력을억압하고제한하기도하는감성능력을말하는것으로인간의이성능력의한계를극복하려는노력의일환으로정서를지능화시키자는교육운동인것이다 (Goleman, 1995; 문용린, 2011). 1995년 정서지능 이란책으로우리나라에처음정서지능을알린대니얼골먼 (Daniel Goleman) 은후기아동기는통제하는뇌의전두엽회로가아직성숙되지않은상태이기때문에정서지능의개선이가능한시기이며, 정서교육의실효를거줄수있는시기라고주장한다. 우리나라의정서지능구성요소는샐로비 (Salovey) 와메이어 (Mayer, 1977) 가제안한네가지구성요소에문용린 (1997) 이제안한감정이입능력을추가한다섯가지구성요소-정서의인식과표현, 감정이입, 정서의사고촉진, 정서지식의활용, 정서의조절이다. 첫째, 정서의인식과표현의개념은자신과타인의감정이나기분을알아차리고이해하는능력으로정서지능의가장기본적인능력이라고할수있으며, 이요소가충분히발달하지않는다면전체적인정서능력의발달과향상이어렵다고한다. 둘째, 감정이입능력은심리학용어로공감이라는말로쓰이는것으로다른사람의입장이되어그사람의감정과기분을느껴보는것을말한다. 셋째, 정서의사고촉진능력은자신에게현재가장중요한일에주의를전환하여집중하는것과자신이해결해야할과제를잘처리하기위해자신의감정과기분을활용하는능력을말한다. 넷째, 정서지식의활용능력은한사람에게복잡하고정반대의감정을느끼게되

32 는사실을이해하는능력도포함되는것이다. 즉, 같은사람에게사랑과미움을동시에느낄수있다는것을이해하는능력이다. 다섯째, 정서조절능력은자신의감정이나기분을상황에따라적절하게통제하고조절하는능력으로정서지능의가장핵심적인내용이라고문용린은말한다 (2011). 따라서본연구에서는문용린 (1997) 이 Salovey 와 Mayer(1977) 의정서지능모형에입각하여제작한측정도구를사용하였다 K-TCPI( 검사요강 ) 사람들은자신의뇌를차별적으로사용하며, 이러한뇌차별성또는뇌선호도의차이는성격유형뿐아니라학습의유형도다르다 (Fox, Henderson, Marshall, Nichols, & Ghera, 2005). 따라서과학영재들을이해하기위해서는각개인의창의성격유형을살펴볼필요가있다. 카테나토렌스창의적성격검사 는 Joe Khatena & E. Paul Torrance(1998) 가저작한 Khatena-Torrance Creative Perception Inventory' 를우리말로번역하고한국에서재표집처리하여제작한것이다. 검사I은창의적성격지수 (CI) 를보는것으로 ' 당신은어떤사람인가?'(What Kind of Person Are You?. WKOPAY) 이며 5개의하위영역이있다. 권위의수용 (acceptance of authority, AA) 은요인I로복종적이고, 공손하고예의바르고, 규칙을잘지키고, 그리고힘있는사람을쉽게인정하고수용한다는내용으로비창의적인내용의문항들로만구성되었다. 자신감 (self confidence, SC) 는요인 II로자기자신을믿으며, 학습하고배우기를원하고좋아하며, 기억을잘하고 ( 창의적인문항들 ), 그리고남과잘지내며, 시간을지켜일한다는내용으로비창의적인문항들이다. 탐구심 (inquisitiveness, I) 은요인 III으로항상질문을하며, 인정받기를바라고, 자기권리를주장하며, 강한정서를느끼며 ( 창의적인문항들 ), 그리고 말을많이하고, 순종적이다 는내용의비창의적인문항들이다. 타인에대한의식 (awareness of others, AO) 은요인 IV로남의아이디어를기꺼이고려하며, 확고한신념을가지며, 남들과마찰을빗더라도사실을말하며, 규칙을따르지아니하며 ( 창의적인문항들 ), 그리고공순하고예의바르고, 인기가있고사람들이좋아하며, 남들과잘지내며, 집단에서남들과같이일하기를좋아한다는비창의적인문항들이

33 다. 단련된상상력 (disciplined imagination, DI) 은요인 V로정력이왕성하고, 상상적이고권태를느끼지아니하며, 어려운과제를해보려고하며, 도전적인과제를선호하며, 쉽게포기하지아니하고, 시작한것은끝을내며, 열심히일하며, 그리고모험을추구한다는창의적인문항들로만이루어져있다. 여기서요인 I과요인 V에서평균적인점수를받은사람이나요인 II, III 및 IV에서대개평균또는평균이상의높은점수를받은사람은창의적성격이라말할수있다. 검사II는창의적성격지수 (CI) 를보는것으로 ' 어떤나의모습 (Something About Myself. SAM) 이며 6개의하위영역이있다. 주변상황에대한민감성 (Environmental Sensitivity, ES) 은요인 I로다른사람들의아이디어에개방되어있고, 아이디어를접하면보거나, 만지거나또는듣는것에관련시키며, 어떤경험이가지고있는아름답고유머러스한측면에관심을가지며, 유의미한관계에민감한것이다. 진취성 (initiative, I) 은요인 II로연극같은것을감독하거나연출하며, 새로운공식이나새로운제품을생산하며, 그리고일을처리하는방식이나규칙을바꾸는것등이다. 자기강점 (Self-Strength, SS) 은요인 III으로자기재능에대한확신을가지고있고, 항시일을처리해가는더나은방법을찾고, 여러방면으로재능이있고모험하고, 더낫게하기를바라고그리고조직하는능력등이다. 지적인사고 (Intellectuality, IN) 는요인 IV로지적인호기심을가지고, 도적적인과제를즐기며, 상상하고, 통상적인것보다는모험적인것을더선호하고, 사물이나아이디어를재구성하여다른어떤것을만드는것을좋아하며, 그리고다른사람들이요구하는방식으로일하기를싫어하는것등이다. 개성 (Individuality, ID) 은요인 V로집단에서보다는혼자일하기를더선호하고, 일자체가재미가있어서프로젝트를시작하고계속하며, 남들이좀다르다고생각하며, 남들의약점을찾아그것을향상시키려하며, 혼자서생각하며, 그리고싫증을느끼지아니하고장시간동안일하는것등이다. 예술적재능 (Artistry, A) 은요인 VI으로예술품이나공예품을생산하며, 새로운춤이나노래를만들어내며, 작품을만들어상을타거나전시회를하며, 그리고시나이야기를쓰는것등이다 ( 중앙적성연구소 ). 이들검사I, 검사II는거의독립적인두개의검사로구성되어있다 기능영상도구 fmri (functional magnetic resonance imaging) 의원리와특징

34 fmri는방사선동위원소를주입하여뇌의특정신진대사량을보는 PET(Positron Emission Tomography) 와는달리시각적으로제시되는 (MRI기기에장착된스크린 ) 특정과제를수행하는동안얻어진다. 과제를수행하는동안신경세포의활동이활발하게일어나게되고이때여러기능영역들에서활성화되는신경적활동수준을비침습적 (non-invasive) 인방법으로측정한다. 즉시각과제에의하여뇌의뉴런들이활성화되면, 뇌기능에수반되는뇌혈류 (Cerebral Blood Flow, CBF) 와뇌혈액량 (cerebral blood volume, CBV), 그리고산소소비량등이증가되므로이러한뇌기능에수반되는변화들를측정하는것이다 (Huttel et al., 2004; Rosenzweig et al., 2005)). fmri연구에서주로사용되는기법은 Ogawa(1993) 에의해개발된 BOLD(blood oxygen level dependent) 기법이다. 이기법은뇌의특정부위의활동이증가할때혈액속에산소와결합한헤모글로빈의비율이과다증가하여주변영역에비해높은자기신호강도차이를가지는원리를바탕으로참여자가시각적으로비춰지는과제 ( 언어, 운동, 지각, 기억, 정서등 ) 를수행하는동안과하지않는동안을교대로반복측정하여뇌가기능적으로활성화된영역과정도를 2차원으로영상화하고다시 3차원영상으로재구성하여원하는두뇌부위의활성화양상을측정하는것이다 ( 강은주, 이정모, 2000). fmri 의원리는시각적으로주어진과제를수행하면서뇌가활동하기시작하며 그에해당하는부위에 ATP(adenosine triphosphate) 의소모가증가하고이어서부 분적으로뇌혈류량의증가와당대사가증가하면서활성화된부위가그렇지않은 부위에비해데옥시헤모글로빈의농도가적기때문에 T 나 T2 강조영상에있 어신호강도의감소가적게일어난다. 이때활성화된부위의신호강도가다른부위보다높게나타나는것을이용하는것이다. 그러므로 ATP 생성에필수적인산소의상대적인양을측정함으로써두뇌의활성상태를간접적으로측정할수있는것이다 (Huettel et al., 2004). 이처럼뇌신경활동의변화는두뇌혈류와두뇌산소화와같은생리적기능에국소적변화를수반하기때문에두뇌활동수준을추론하는데사용할수있으므로뇌과학연구에유용하다고할수있다. 그러므로학습과교육에따라변화하는두뇌활동수준을추론하는데적합한실험기기라할수있다

35 fmri 실험설계방법 fmri를이용하여뇌기능을연구하고자할때연구가설에가장부합하는뇌기능을적절히유도하는활성화과제 (activation paradigm) 의고안이매우중요하다. 활성화과제를고안하는방법은주로블록설계 (block design), 사건관련설계 (event-related design), 혼합설계방법이적용되고있다 (Huettel al, et. 2008). 1 블록설계 (block design) 방법 블록설계 (block design) 방법은뇌기능을포함하는활성화단계와뇌기능을미포함하는대조단계을하나의뭉치의형식 (Block - Based) 으로제시하는원리이다. 즉, 일정한활성화시간동안여러번의과제를반복시행하는것으로전통적으로 fmri 실험에서가장많이사용되어오고있는방법이다. 2 사건관련설계방법 (event-related design) 사건관련설계방법 (event-related design) 은하나의기능이벤트에따른신호를구별할수있다는점에서블록설계방법 (Block-Based 방식 ) 과는다르다. 그러므로 Block-Based 방식이부적절한 Recollection 또는 familiarity 를포함하는 working memory 실험에유효하다. 이방법은 Block-Based 방식보다신호대비의크기가작고, 이에따른 Sensitivity도 Block-Based 방식보다는좀뒤떨어지긴하지만,

36 초미만의짧은외부자극에도상당한 BOLD MR 신호가관찰된다는점에서시작되 었다. 즉, 흥미있는뇌신경부위가짧은시간동안분리되어제시된과제 - 사건 (event), 시도 (trials) 에의해서도활성화된다는가정이다 (Huettel, 2004). 3 혼합설계방법 (Mixed Disign) 혼합설계방법 (Mixed Disign) 은블록설계와사건관련설계를혼합하는방법으로서로다른시간간격으로원하는인지과정이나과제전략을분석할수있다는장점이있다. 실험의본격적인데이터처리과정전에실험중있을수있는머리의움직임은신호처리의정확도를떨어뜨리므로 Affine Transformation등을이용한움직임을고쳐주는알고리즘이나 (Realignment), 뇌의좌표를 Talairach Tournous 좌표에대비시키는등의준비과정이추가되기도한다. 위와같은접근방식들은두뇌의정보처리과정을밝혀나가는데유용한정보를 제공하고있으며, 두뇌의동일부위일지라도어떻게다르게반응할수있는지를연 구할수있다 ( 이정모외, 2003) fmri 과제제시 본연구에서 fmri촬영시 MRI기기스크린에제시된과제는도형의유추문제이다. 도형의유추는시각에의하여지각되는공간에서도형들의위치와방향, 도형구성의변화성을파악하며풀어나가는과정에서의뇌활성영역과활성정도를분석하고자하는목적으로선정하였다. 이는전통적인지능검사가언어적경향이강하기때문에시공간지능이간과되기쉬우므로이를보완하는의미도갖으면서과학영재

37 특성의일부라고하는공간지각력에대한뇌활성부위를분석하여시공간능력과 실행기능의관련성을알아보고자함도포함된다. [ 그림 5] fmri 과제모식도 본연구에제시된 fmri 실험과제제시는블록설계방법이다. 과제 ( 도형의유추 ) 는형태상의차이는없으나 g-상관도와난이도가다른두가지종류의과제이다 ( 이건호, 2005). 스케닝세션은네개의단순과제 ( 각문제당 7.5초 ) 가 30초동안제시되고, 그다음한문제의복잡과제 (30초) 가제시되는블록으로총 19문제로구성되었다. 참가자들은각문제의우편상단에표시되는초시계를보고각문제종료 3초전에가슴위에올려져있는버튼을이용해서답을하였다. 과제예시는위의그림 (5) 과같다

38 fmri 영상획득 fmri 촬영은가천의과학대부설뇌과학연구소에서이루어졌으며, MRI 실은전자파차단용차폐실 (RF shield room) 로이루어져있다. 참가자는차폐실중앙에 magnet을포함한촬영실에수평으로눕는다. 이때 MRI기기의소음차단을위해간단한조치를취하였으며, 머리의움직임은 foam padding을이용하여최소화했다. 뇌영상은 3.0 T MR scanner(forte, Isol Technology) 를통해얻어졌다. 먼저과제를수행하는동안 EPI(echo planar image) gradient echo sequence로기능영상을 6,7분동안촬영한다음해부학이미지를 15분동안촬영하였다. EPI(functional image) 기능영상촬영시자기공명변수 (MR parameter) 는 TR 2500ms, TE 30ms, FA(flip angle) 90, voxel size 3.5*3.5*3.5, resolution(matrix size) 64*64, measurement 89, BW 2232, FOV(Field of View) 224*224 였으며, axial 방향 ( 머리위에서밑으로 ) 으로 slice thickness 3.5mm로 slice 39장을얻었다. MPR(anatomical image) 해부학영상촬영시자기공명변수는 TR 1900ms, TE 3.53ms, TI 900ms, FA(flip angle) 9, voxel size 0.45*0.45*0.9, resolution(matrix size) 512*512, FOV(Field of View) 230*201.3(87.5%), BW 170, NEX 2, slice thickness 0.9mm 로 slice 176장을얻었다. fmri 과제는머리위에놓인 12cm의 (visual angle = 13.7 ) LCD 모니터 (IFIS-SA, MRI Devices, FA, USA) 를통해서제시되었으며, 과제제시와기록은 Stream-DX를사용하여이루어졌다. 과제에대한반응은촬영실에수평으로누운참가자의가슴위에놓인 4개의버튼을통해서실시간으로 PC에기록되었다. 참가자들에게는사전에 MRI 환경과과제수행방식에대한충분한설명을하였다. 획득된뇌영상자료는 MATLAB(Mathworks Inc. USA) R2008a 환경에서구현되 는 SPM(Statistical Parametric Mapping, 8version welcome department of cognitive neurology, London, UK) 소프트웨어를사용하여분석하였다. 안정된신호의영상자료만을자료로취하기위해획득된 176 장가운데처음 4 장

39 씩을제외하였다. 모든영상자료는촬영중에생길수있는머리의움직임을재조정 (realignment) 한후, 각개인의뇌의형태적차이를교정하기위하여표준공간좌표 (Talairach) 로평준화시키고 (Normalize), EPI 데이터와해부학적이미지를공통좌표로합성 (coregisteration) 하고, 그다음 Kernel 을이용해서이미지를매끈하게 (smoothing) 한후참가자의전체적영상을획득하였다 ( 유승식, 2001) 연구절차 차실험 겨울방학본연구의피험자들이고등학교 1학년생들이므로 1차실험은겨울방학기간으로잡았다. 연구의진행과정은먼저, MRI 촬영을인천길병원 MRI기기에대한사용허락을받았으므로가천의과학대의 IRB 승인을받았다. 둘째, 실험디자인 ( 실험참여날짜와시간 - MRI 스켄, 지필-SES와 K-WAIS, RAPM, 정서지능, KTCPI등 ) 을한뒤 MRI기기에대한사용일정을잡고. 셋째, 피험자들에게전화와문자로실험공지를하였으며, 이때실험소요시간 ( 약 3시간정도 ) 과실험과정과순서를알렸다. 실험당일 fmri촬영에있어서스크린에나타나는문제를풀어야하므로시력교정을위해임시안경준비등촬영준비작업 ( 과제에답하는방법, 몸을움직이면안된다는것, MRI 촬영소요시간이 1인당평균 30분정도소요됨을알림 ) 을하였다. MRI 촬영시난이도는비슷하나다른 fmri과제제시로 2번촬영하였으며, 소요시간은각 6,7분씩소요되었다. 그다음 15분정도는해부학이미지촬영을하였다. 이때피험자들은다소시끄럽게느껴지는 MRI기기소리를참으며눈을감고가만히있게되는데아무것도하지않는다는것이지루함을느꼈다거나, 졸렸다거나, 공포를느꼈다는피험자들도있었다. 해부학이미지는대뇌피질두께분석자료이다. 넷째, K-WAIS는 1 : 1 검사이므로부득이종합병원소속임상심리사들을동원하지않을수없었다. 1인소요시간이 60분 ~ 90분정도였으며기타검사와더불어 MRI 스켄전후로나누어진행되었다. 참여자들은실험참여이전에 K-WAIS, RAPM, 정서지능, KTCPI 등에대한검사를받아본경험이아무도없었다

40 차실험 여름방학 2차실험은본연구의목적이교육방법에따른뇌형태변화를보고자하는것이므로각학교에서한학기간의공부를마무리한시점인여름방학기간으로이루어졌다. 1차실험때와달리 2차실험은한학기동안 ( 사전사후 ) 의변화를보고자하는것이목적이므로 RAPM, 정서지능, KTCPI과 MRI해부학이미지촬영이진행되었으며피험자 1인당총소요시간은지필 50분 (Raven-20분, 정서지능-10분, KTCPI-20 분 ), MRI촬영 30분으로진행되었다. 4. 자료처리절차및분석 4.1. 인지검사분석 본연구를위해수집된자료 (K-WAIS, RAPM, 정서지능, K-TCPI) 검사실시요강 의채점절차에따라채점한후 SPSS 18 통계프로그램을사용하여분석하였다 K WAIS K WAIS검사는결과에대한신뢰성을높이기위하여종합병원소속의임상심리사들로구성되어실시되었다. 검사가끝난후, 피험자의원점수와환산점수그리고 IQ를산출하는방법은실시요강에제시된일정절차를따랐다. 먼저기록용지표지의검사점수결과표에각소검사의원점수를기입한후, 결과표왼편에있는환산점수산출표를사용하여원점수를환산점수로전환하였다. 둘째환산점수의합산을하였다. 이때언어성검사의점수는 6개의소검사-기본지식문제 (Information), 숫자외우기 (Digit Span), 어휘문제 (Vocabulary), 산수문제 (Arithmetic), 이해문제 (Comprehension), 공통성문제 (Similarity) 의환산점수를합하고, 동작성검사의점수는 5개의동작성검사-빠진곳찾기 (Picture Completion), 차례맞추기 (Picture Arrangement), 토막짜기 (Block Design), 모양맞추기 (Object Assembly), 바꿔쓰기 (Digit Symbol) 의환산점수를합해서전체검사점수를내고 IQ를산출했다 (Wechsler, 1981)

41 RAPM RAPM은전체 36문항으로이루어져있으며일반지능 (g) 을검사하는대표적인검사도구이다 (Marshalek et, al., 1983 ; Snow, 1989 ; 이건호, 2006). 각각의문항들은 3 3 행렬로구성된도형유추형태의문제이다. 피험자들은마지막에비어있는칸을 8개의선택항목중에서찾아빈칸을채우는것이다. 제한시간은 36문항전체를수행하는데 40분이다. 따라서본연구는난이도가비슷하게 ( 홀수 : 18문항, 짝수 : 18문항 ) 구성된홀수와짝수를사전 사후 ( 총점18점씩 ) 로나누어서 20분간의제한시간으로검사실시하였다 정서지능 (Emotion Intelligions) 정서지능은정서의의미와관계를인식하고이를기초로추론하고문제를해결하는능력을의미한다 (Ciarrochi, forgas, & Mayer, 2005 ; 김애희, 2009). 본연구에사용된정서지능측정도구의문항구성은아래표와같다. 문항의 1-37번까지는 항상그렇다 약간그렇다 약간그렇지않다 전혀그렇지않다 로 4단계로구분하였다. 이중에서 9-15번은역으로환산하였으며 번은정서활용문항으로 2단계로구성하여긍정은 2점, 부정은 0점으로채점되었다 (Ciarrochi et,al., 2005 ; 김애희, 2009.) K TCPI(Khatena-Torrance Creative Perception Inventory) 창의성격검사는제1부- 당신은어떤사람인가?(WKOPAY), 제II부- 나자신에대하여 (SAM) 로이루어져있으며각각 50문항씩으로각문항에대하여 1점또는 0 점으로채점되었다. 이때제I부의문항 3, 5, 6, 7, 8, 29 및 30에대하여서는 b 반응에 1점을, 그리고기타의문항은 a 반응에대하여 1점으로채점되었고, 제II부

42 의각문항에서 O 에표기한것에대하여서는 1점을, X 에표기한것에대해서는 0점으로채점되었다. 창의적성격지수 ( 채점에서얻은총점 ) 와 요인별오리엔테이션 ( 각요인별로얻은점수 ) 으로나누어 원점수 란에기록한다음피험자에게맞는규준표 ( 초-중등생용, 고교-성인용, 영재용 중에서영재용사용 ) 를보고각기의 T점수와백분위점수 (PR) 를찾아기입되었다 (Joe Khatena & E. Paul Torrance, 1998 ; 김영채 ). 본연구에서는그룹 (Gifted : High) 간의 T점수로통계처리하였다 기능영상분석 뇌영상분석과정 영상분석절차의첫번째단계는 MRI 기기를사용한해부학적영상을얻는것이며, 두번째단계는실험설계의패러다임에따라기능적영상을얻는것으로이두단계에서얻는영상이바로원자료 (raw data) 가된다. 이원자료들은 fmri 분석프로그램이있는컴퓨터로전송되어아래그림과같이사전처리 ( 재배열, 상관정렬, 공간적정상화, 공간적평편화 ) 를거쳐최종적인기능적영상에도달하게된다. 일단얻어진기능적뇌영상들은움직임을보정하고통계적으로유의한신호변화를찾아내어지도화하기까지몇가지의단계적처리를필요로한다. 먼저움직임에의한신호변화 (movement-related variance) 는실제신경의활성에의한신호변화와동일한정도의자기공명신호변화를일으킬수있으므로이를최소화하기위한 1재배열 (realignment) 을한다. 그리고기능적영상 (functional image) 과해부학적영상 (anatomical image) 을서로부합되도록 2상관정렬 (coregister) 한후, 각참가자들로부터얻어진영상데이터를표준화된해부학적뇌공간 (standard anatiomical space) 인 Talairach-Toumoux의뇌공간에변형 (transformation) 시킴으로써뇌의해부학적인개인차를없애고참가자간평균치의산출을가능하게하는 3공간적정상화 (spatial normalization) 과정을거친다음혈관역동변화에의해서나타나는 voxel별자기공명신호변화의잡음에대한변별력을높이기위하여 4공적편평화 (spatial smoothing) 를한후통계적분석을실시하게된다 (Fristonet al., 1995; 김연희, 2001; Huettel et al., 2004). 최종적으로통계적으로유의미한부피

43 소부위의자표를 5표준좌표 (MNI) 와브로드만영역 (broadmann area: BA) 으로나타내어활성화된두뇌부위를추론하고비교한다. 최종적인영상자료는단면 (section), 렌더링 (rendering) 등연구목적에맞게가장적합한형태로출력한다 ( 신동훈, 2006). 위의과정을간략히정리하면아래그림6과같다. [ 그림 6] fmri 영상분석절차 (Huettel, 2008). 아래그림 7 은위의과정에따른본연구의분석절차시실제나타나는그래프 와이미지를넣어한눈에볼수있게정리한뇌영상분석과정이다. [ 그림 7] 뇌영상분석과정 MATLAB 프로그램에서의뇌영상분석과정 1. Preprocessing 단계 ➀ 뇌영상재조정 (realignment) : 촬영시참가자의머리의움직임보정

44 ➁ 공간표준화 (normalization) : 참가자마다머리의모양이다르므로공통의 표준좌표 (MNI) 로옮김

45 ➂ 공간편평화 (smoothing) : 신호대잡음비 (Signal-to-Noise ratio) 를증가시키고 영상정규화과정후에도정규화되지않고남아있는 미세한차이를보정 2. 본처리단계 ➀ Specify 1st - level : 연구의목적이되는실험디자인을이용하여각개인개인에서결과분석하고집단분석을할수있는기초결과생성 ➁ Specify 2nd - level : 각개인결과를바탕 (con*.img) 으로집단분석을 시행하고이를바탕으로일반적인결론, T 검증

46 fmri 분석을위한모수적통계방법 영상의전처리 fmri로부터얻어진뇌활성화 (BOLD signal) 의통계적유의성을검정하기위해서는통계분석에앞서서각개인간의뇌의해부학적위치를정규화하기위한일련의영상보정과정이선행되어야한다. 영상의전처리 (Preprocessing) 를통해서각개인간의뇌구조의분산을최소화할수있을뿐만아니라모수적통계모형을사용할수있는가정을만족시킬수있게된다. 영상의전처리는각피험자개인에서 EPI 영상기법을이용하여얻어진일련의 T2 강조영상들을처음얻어진영상과비교하여영상의오차제곱합이최소가되도록선형변환 (Realigned T2 강조영상 ) 을적용하고이렇게보정된각개인의 Realigned T2 강조영상들을이용하여개인마다서로다른뇌구조를하나의기준뇌영상 (Template) 에일치하도록비선형변환을실시한다. 이를통해서서로다른위치에있는각개인의뇌의해부학적위치를기준이되는뇌의해부학적위치로공간정규화 (Spatial Normalization) 할수있게되고이러한조건하에서만이연구결과의일반화가가능하게된다. 영상의공간정규화뿐만아니라신호대잡음비, 그리고모수통계의가정을만족시키는측면에서중요한것은영상평활화 (Spatial smoothing) 이며이과정은 16mm의 FWHM의가우시안 3D 커널로중첩적분 (convolution) 한다. 이를통해서신호대잡음비 (Signal-to-Noise ratio) 를증가시키고영상정규화과정후에도정규화되지않고남아있는미세한차이를없앴다. 이론적으로는편평화과정을통해서 SPM에서통계적추론을위해가정하는가우시안장모델 (Gaussian field model) 에더근접시킬수있게된다

47 [ 그림 8] fmri 분석을위한모수적통계방법 Ø Ø Ø 통계적구조모형 주어진자극에대하여반응변수 Y i 는하나의복셀 (Voxel) 에서시간에따라얻어진 BOLD signal의관측수, 즉 fmri에서얻어진영상획득수가된다. 얻어진반응변수는설명변수와오차의선형결합으로표현된다. X ij 은설명변수를나타내며일반적으로는얻어진자료보다적은값을가지며연속형, 이산형, 공변량및실험요인의수준을나타내는지시변수가가능하다. 얘를들어난의도가높은문제와낮은문제를교차하는방식으로자극을보여줬다면 Xi 1 는난의도를나타내는지시변수가되며 Xi 2 는절편이된다. 임의의복셀의 BOLD signal은이러한설명변수들의선형결합으로나타낼수있게된다. 모수의추정은최소제곱법을이용한다

48 [ 그림 9] fmri Design matrix <Design matrix> IV. 연구결과및논의 이장에서는연구문제를분석하기위해먼저인지검사를분석하여참가자들개인의유전적요소나영, 유아기의양육방법과주변환경들에의해형성되었을것으로짐작하는내제적인요소들을살펴본다. 다음으로 fmri 촬영으로영재그룹과일반상위그룹간의두뇌활성영역분석결과를제시하고영역별기능을서술한다. 끝으로두집단간두뇌활성화차이와각활성영역간상관성을알아본다음, 이를바탕으로한특정영역의대뇌피질두께변화차이를분석하여과학영재교육효과를기술한다. 1. 인지검사분석 차사전검사 본연구의 1 차실험때수집된 K-WAIS, RAPM, 정서지능, K-TCPI 도구의분석 결과는아래표와같다

49 하위영역 Group N Mean SD T p 총 IQ Gifted High RAPM Gifted High 정서인식 Gifted High 정서표현 Gifted High 정서 Gifted 감정이입지능 High 정서조절 Gifted High 정서활용 Gifted High 성격지수 I Gifted High 권위수용 Gifted High 자신감 Gifted High 탐구심 Gifted High Gifted 타인인식 High K Gifted 상상력 T High C 성격지수 II Gifted High P Gifted 주변민감 I High Gifted 진취성 High 자기감정 Gifted High 지적사고 Gifted High 개성 Gifted High 예술재능 Gifted High <0.05, <0.01, <0.001, Gifted= 한국과학영재고등학교학생, High= 과학중점학교전교 1, 2% 수준학생 K-WAIS 검사에서는영재그룹 (M=13.55, SD=5.29), 상위그룹 (M=128.93, SD=5.28) 간의 T 값 (4.77), (p<.001) 로유의한차이가나타나고있다

50 RAPM검사에서도영재그룹 (M=15.90, SD=2.19), 상위그룹 (M=14.69, SD=1.85) 간의 T값 (2.26), (p<.05) 로유의한차이가나타났다. Emotion Intelligions검사에서는유의한차이가없으며, 하위영역인정서표현, 정서조절, 정서활용에서는 T값 (.00) 의그룹간의차이가전혀나타나지않았다. 에서는 11개하위영역중에서진취성 (initiative, I) 에서영재그룹 (M=58.52, SD=28.73), 상위그룹 (M=49.86, SD=13.4) 간의 T값 (2.92), (p<.01) 그리고예술재능 (Artistry, A) 에서영재그룹 (M=51.24, SD=8.45), 상위그룹 (M=44.21, SD=13.10) 간의 T값 (2.44),(p<.05) 로유의한차이가나타나고나머지하위영역은두그룹간차이가나타나지않았다. 이러한결과는영재그룹과일반상위그룹의그룹간차이로는지능이두드러지며, K-TCPI( 창의성격검사 ) 의하위영역인진취성과예술재능에서의유의한차이외에는두그룹이동질집단이라는것을알수있다 차사후검사 2 차사후검사로는 K-WAIS 를뺀 RAPM, 정서지능 (Emotion Intelligions), 창의 성격검사 (KTCPI) 를실시하였다. 분석결과는아래표와같다 RAPM( 일반지능검사 ) 도구 Group N M SD T p 1차 29 Gifted 2차 27 RAPM 차 29 High 2차 29 <0.05, <0.01, <0.001, Gifted= 한국과학영재고등학교학생, High= 과학중점학교전교 1,2% 수준학생 일반지능검사의 1, 2차검사차이는 T(-1.90),p(.06) 으로유의하지않게나타냈다. 이러한결과는두그룹간차이를두는것에서개인의일반지능 (g) 이하나의요인은될지언정중요한요인일것이라고단언할수는없다. 물론영재그룹과일반상위그룹의지능이같을수는없다. 분석결과로알수있었던것은영재그룹이라고해서모두가천재적인두뇌를지녔다고장담할수없다는것과일반학교상위 1,2% 의학생들이라고해서모두가

51 일반적인지능수준이평범한수준에서약간높은수준만이아니라는것이다. 이유는영재그룹 29 명중에서 5 명의일반지능 (g) 수치가상위 99.9% 에달하는 수치로그 5 명의지능수치가그룹의평균지능값을올렸다는것이다. 이러한결과는비록 1950년대연구자들은영재성을주로지능으로설명들을했지만최근의연구자들은 IQ검사그자체의문제점을지적한다. IQ검사는분석기능과언어기능은제대로측정되지만, 실용지식과창의성, 즉문제해결과인생에서의성공에중요한요소는측정하지못한다는것이며, 또한상황이나대상이바뀌면 IQ 검사의예언력이떨어진다 (Sousa, 2003) 는것이다 정서지능 (Emotion Intelligions) 정서지능 (Emotion Intelligions) 의분석결과는아래표 ( ) 와같다. [ 표 8 ] Emotion Intelligions 1차, 2차분석결과하위영역 Group N M SD T p 1차 29 Gifted 2차 27 정서인식 차 29 High 2차 29 1차 29 Gifted 2차 27 정서표현 차 29 High 2차 29 정 1차 29 서 Gifted 2차 27 감정이입 지 1차 29 High 2차 29 능 1차 29 Gifted 2차 27 정서조절 차 29 High 2차 29 1차 29 Gifted 2차 27 정서활용 차 29 High 2차 29 <0.05, <0.01, <0.001, Gifted= 한국과학영재고등학교학생, High= 과학중점학교전교 1% 수준학생 정서지능검사에서두그룹간차이가나타나지않았으며, 사전 사후검사에서

52 도차이를나타내지않았다. 이러한결과는교육방법의차이로변화시킬수있는것이아니라개인의내재된능력즉, 아동 청소년기이전에유전과환경적요인에의해형성되는것이라는것이라추론할수있다. 정서지능은아동 청소년의성장과학습에서배제할수없는중요한요소이다. 아무리뛰어난내재된능력을지닌아동 청소년이라고하더라도정서지능이받쳐주지않으면그능력은무용지물이될수도있으며, 또한현시점에서두각을나타내지못하는아동 청소년이라할지라도정서지능의하위영역중정서조절능력을발휘한다면내재된지적능력을키울수있는변화의시기 ( 성장기 ) 라는것이중요하다 (Goleman, 1995). 본연구에서두그룹간차이를나타내지않았다는것은두집단모두원만한정도의비슷한정서지능수준이라는것을짐작할수있다. 특히하위영역인정서활용에서더욱그렇다 K TCPI(Khatena-Torrance Creative Perception Inventory) 창의성격 (K TCPI) 의검사결과는아래표와같다. [ 표 9] Khatena-Torrance Creative Perception Inventory 1차, 2차분석결과 하위영역 Group N M SD T p 1차 29 성격지수 I Gifted 2차 27 (CI) 1차 29 High 2차 차 29 권위수용 Gifted 2차 27 (AA) 1차 29 High 2차 차 29 자신감 Gifted 2차 27 K (SC) 1차 29 High T 2차 C 1차 29 탐구심 Gifted 2차 27 P (I) 1차 29 High I 2차 차 29 타인인식 Gifted 2차 27 (AO) 1차 29 High 2차

53 상상력 (DI) 성격지수 II (CI) 주변민감 (ES) 진취성 (I) 자기감정 (SS) 지적사고 (IN) 개성 (ID) 예술재능 (A) Gifted High Gifted High Gifted High Gifted High Gifted High Gifted High Gifted High Gifted High 1차 29 2차 27 1차 29 2차 29 1차 29 2차 27 1차 29 2차 29 1차 29 2차 27 1차 29 2차 29 1차 29 2차 27 1차 29 2차 29 1차 29 2차 27 1차 29 2차 29 1차 29 2차 27 1차 29 2차 29 1차 29 2차 27 1차 29 2차 29 1차 29 2차 27 1차 29 2차 29 <0.05, <0.01, <0.001, Gifted= 한국과학영재고등학교학생, High= 과학중점학교전교 1, 2% 수준학생 창의성격검사 (Khatena) 에서사전 사후검사에차이를나타내지않았다는것은창의성격또한정서지능과마찬가지로아동 청소년기의교육이나주변환경의영향을크게받는것이아니라유전과영 유아기의양육방법이나환경에의해형성된다는것으로짐작할수있다. 그리고 1차사전검사에서그룹간차이를나타낸하위영역인진취성 (initiative, I) 과예술재능 (Artistry, A) 의요인설명은새로운공식이나새로운것을생산하며, 일을처리하는방식이나규칙을바꾸는것 (Khatena, 1998) 이다. 이것은창의적인영재들의특징으로볼수있다

54 2. fmri 측정에서나타난두뇌활성분석결과 fmri과제수행시나타난두그룹의뇌영역활성이미지이다. Gifted group은 uncorrected, p<0.05, k=0의수준에서, High group은 uncorrected, <0.01, k=0의수준에서분석하였다. 두집단의 p value를다르게사용한이유는 High groupdl <0.05의수준에서활성영역들의분포가너무많아서활성도가높은포인트영역을찾는의미에서 p-value를높여분석한것이다. [ 그림 10] 영재그룹의두뇌활성영역

55 [ 그림 11] 상위그룹의뇌활성영역

56 2.1. 영재그룹 영재그룹의뇌활성영역 영재집단의경우 fmri과제수행시나타나는두뇌활성영역은 44곳중에서 T score 가 2.56이상인영역을위주로나타내었다. 그영역들은두정엽영역 (Parietal lobe area) 에서는중심후회 (Postcentral gyrus_l), 하두정회 (Inferior Parietal gyrus _L), 각회 (Angular_R) 에활성이나타났고, 측두엽영역 (Temporal lobe area) 에서방추사 (Fusiform_R) 의활성이있었고, 변연계 (limbic system) 에서는해마 (Hippo -campus_l) 의활성이, 기저핵 (Basal ganglia) 에서는미상핵 (Cadate_L) 의활성이유의하게나타났으며, 전두엽영역 (frontal lobe area) 에서는상전두회 (Superior frontal gyrus_r) 의활성이그리고소뇌 (Cerebellum_8_L) 의활성이나타났다. [ 그림 12] 영재그룹의 fmri 과제 ( 복잡 ) 수행시활성화된뇌영역

57 [ 그림 13] 영재그룹의 fmri 과제 ( 복잡 ) 수행시활성화된뇌영역 [ 표 10] 영재그룹의 fmri과제 ( 복잡과제 ) 수행시활성화된뇌영역 영재의두뇌는난이도가높은과제수행시활성도가높아진다.(Sousa, 2003) 따라서 fmri 과제 [( 복잡과제 - 어려운과제 ( 복잡과제 ) 에서쉬운과제 ( 단순과제 ) 를 뺀 )] 수행시영재그룹의뇌활성영역이다. 아래그림 14 ~ 그림 17 은브로드만영역의위치및뇌해부학영역및위치이다

58 [ 그림 14] 브로드만영역및위치 - 외측면 [ 그림 15] 브로드만영역및위치 - 내측면

59 [ 그림 16] 뇌의해부학적영역및위치 - 외측면 [ 그림 17] 뇌의해부학적영역및위치 - 내측면

60 2.2. 상위그룹 상위그룹의뇌활성영역 상위그룹의경우 fmri과제수행시나타나는두뇌활성영역은 46곳중에서 T score 가 3.21이상인영역을위주로나타내었다. 두정엽영역 (Parietal lobe area) 에서는쐐기전소엽 (Precuneus_L), 중심전회 (Precentral_G_L_R) 의활성이나타났고, 측두엽영역 (Temporal lobe area) 에서는상측두회 (Superior temporal gyrus_r), 중측두회 (Middle temporal gyrus_l_r) 와하측두회 (Inferial temporal gyrus_l) 의활성과전두엽영역 (Frontal lobe area) 에는내측상전두회 (Medial_Frontal_Sup_R) 의활성이나타났고, 실비안열안쪽에있는뇌섬엽 (Insular_L) 의활성이나타났다. [ 그림 18] 상위그룹의 fmri 과제 ( 복잡과제 ) 수행시활성화된뇌영역이미지

61 [ 그림 19] 상위그룹의 fmri 과제 ( 복잡과제 ) 수행시활성화된뇌영역 상위그룹의 fmri 과제 [( 복잡과제 - 어려운과제 ( 복잡과제 ) 에서쉬운과제 ( 단순과 제 ) 를뺀 )] 수행시나타난뇌활성영역이다. 상위그룹에서는활성영역과활성범위가영재그룹보다더넓게, 더많이나타 났지만활성수치가낮은부분들이많아서통계상에서삭제되었다

62 2.3. 두그룹 (Gifted_ High) 의뇌활성영역 fmri 과제 ( 도형의유추 복잡과제 ) 를수행하는동안과학영재그룹은 44 곳, 일 반학교상위그룹은 46 곳의활성을나타내었다. 아래표에제시한영역들은두그 룹모두에서활성의 T-score 가 2.00 이상인영역위주로정리하였다. 이들영역간의차이정도와주요한기능에대해서는다음장에서기술하기로한 다. [ 표 12] 두그룹 ( 영재, 상위 ) 의뇌활성영역비교 활성영역영재그룹상위그룹 중심후회 ( 이랑 ) (Postcentral gyrus_l), 두정엽 (Parietal lobe) 측두엽 (Temporal lobe) 중심전회 ( 이랑 ) (Precentral_L_R), 두정엽 (Parietal lobe_l_r) 하두정회 ( 이랑 ) (Inferior parietal gyrus_l), 각회 ( 이랑 ) (Angular_R), 두정측두회 (Supramarginal_R), 측두엽 Temporal Lobe 중심전회 (Precentral _G_L_R) 두정측두회 (SupraMarginal_G_L), 쐐기전소엽 ( 설전부 ) (Precuneus_G_L_R), 측두엽 (Temporal Lobe_R), 상측두회 ( 이랑 )

63 (Superior temporal gyrus_l_r), 중측두회 ( 이랑 ) 방추사 (Fusiform_R) (Middle temporal gyrus_l_r), 하측두회 ( 이랑 ) (Inferior Temporal_G_L), 뇌섬엽 (Insular_L) 전두엽 (Frontal lobe) 상전두회 ( 이랑 ) (Superior frontal gyrus_l_r), 중전두회 (Middle Frontal_G_L) 상전두회 ( 이랑 ) (Superior frontal gyrus_l), 내측상전두회 ( 이랑 ) (Superior frontal_medial_r), 하전두회 ( 이랑 ) (Inferior frontal lobe_l) 후두엽 (Occipital lobe) 기저핵 (basal ganglia) 변연계 (limbic system) 기타 - Occpital Lobe 담창구 (Pallidum_L or pallidus golbus) - 미상핵 (Caudate_L) 전측대상회해마 (Cingulum_Ant_R), (Hippocampus_L_R), 소뇌 (Cerebellum_8_L) 위의표로알수있는것은도형과제를수행하는동안영재그룹은두정엽영역 (

64 Pari -etal lobe area) 을선호한다는것과상위그룹은측두엽영역 (Temporal lobe are) 을선호한다는것을알수있다. 또한영재그룹은상위그룹에나타나지않은기저핵 (basal ganglia) 에있는미상핵 (Caudate_L), 해마회 (Hippocampus_G_L_R), 그리고소뇌 (Cerebellum_8_L) 의활성이나타났으며, 상위그룹은영재그룹에나타나지않은쐐기전소엽 ( 설전부, Precuneus_G_L_R), 뇌섬엽 (Insular_L), 전측대상회 (Cingulum_Ant_R) 의활성이나타나고있다. 3. 그룹간활성정도차이분석과두뇌영역별기능분석 3.1. fmri 과제수행시나타난두그룹의두뇌활성영역간활성정도차이 [ 그림 20] 영재그룹의영역간활성정도차이 uncorrected, p<0.05, k=0 위의그래프에서알수있는것은 영재그룹의두뇌활성영역은 ➀ 우측각회 (Angular_R, M=1.53, SD=0.829) 가가장높은활성을나타내고다음으로 ➁ 좌측

65 상전두회 (Superior Frontal_L, M=1.18, SD=0.719), ➂우측상전두회 (Superior Frontal_R, M=0.97, SD=0.974), ➃좌측하두정회 (Inferior Parietal_L, M=0.58, SD=0.442), ➄좌측미상핵 (Caudate_L, M=0.56, SD=0.360), ➅좌측소뇌 (Cerebellum_8_L, M=0.32, SD=0.318), ➆좌측해마 (Hippocampus_L, M=0.30, SD=0.257), ➇우측방추상 (Fusiform_R, M=0.18, SD=0.247) 의순으로활성정도의차를나타내었다. 이러한결과로과제수행시영재그룹의뇌선호영역을짐작할수있다. [ 그림 21] 상위그룹의영역간활성정도차이 uncorrected, <0.01, k = 0 상위그룹의두뇌활성영역은 ➀좌측쐐기전소엽 (Precuneus_L,M=1.20, SD=1.036) 가가장높은활성을나타내었고, 다음으로내측 ➁우상전두회 (Medial Superior Frontal_R, M=0.46, SD=0.601), ➂좌측뇌섬엽 (Insular_L, M=0.30, SD=0.213), ➃좌측중측두회 (Middle Temporal_L, M=0.16, SD=0.264), ➄좌측중심전회 (Precentral_L, M=0.16, SD=0.265), ➅우측상측두회 (Superior Temporal_R, M=0.02, SD=0.234), ➆우측중심전회 (Precentral_R, M=0.01, SD=0.728), ➇우측중측두회 (Middle Temporal_R, M=0.01, SD=0.728) 의순으로

66 활성정도차이를나타내고있다. 이러한결과로과제수행시상위그룹의뇌선호영역을짐작할수있다 뇌의각영역에서두그룹의활성도차이분석결과 두정엽영역 (Parietal lobe area) 두정엽영역 (Parietal lobe area) 은다양한감각양식들로부터오는정보들를통합하고, 그감각계의정보와기억에저장된정보를통합한다. 즉, 개인의내적상태에대한정보와외부감각세계로부터의정보를통합하는것이다. 그러므로시각자극과그것의공간상위치의결합이라할수있으므로두정엽에의한처리과정은본질상다중양식 (multimodal) 들의통합이라고말할수있다 (Gazzaniga et al., 2008). 이러한두정엽영역의기능은후두엽에서두정엽을잇는연결망을통하여시각피질로부터들어온내적상태에대한정보를전달받은다음, 그정보를바탕으로한사고가진행될때이를유지하는시각적작업기억 (working memory) 의역할을수행하는것이다 (Gazzaina et al., 2002; Naghvi & Nyberg, 2005). [ 그림 22] 우측각회와좌측하두정회의그룹간활성차이

67 또한각회 (Angular_R) 의경우는좌측이우측보다훨씬크다. 왜냐하면좌측각회영역은읽기기능에특화되어있고, 우측에있는배측두정영역인각회영역은공간정보처리에중요 (Eidelberg & Galaburda, 1984) 한기능을하기때때문이다. 그러므로선의방향을판단하고, 도형의변화성을유추하는과제의특성에는우측각회 (Angular_R) 의기능이중요한역할을한다는것을짐작할수있다. [ 그림 23] 좌측하두정회와우측하두정회의그룹간활성차이 본연구에는그림22와그림23에서나타난것과같이영재그룹의우측각회 (Angular_R, M=1.53, SD=0.829, p<0.01) 와하두정회 (Inferior Parietal_G_L, M=0.58, SD=0.442, p<0.001) 에서의활성이상위그룹의우측각회 (Angular_R, M=0.97, SD=0.687) 와하두정회 (Inferior Parietal_G_L, M=0.16, SD=0.265) 보다유의하게높고, 우측하두정회 (Inferior Parietal_G_R) 에서도유의한차이는아니었지만영재그룹 (M=0.41, SD=0.367) 이상위그룹 (M=0.35, SD=0.264) 보다높은활성을나타내었다. 특히하두정회 (Inferior Parietal) 의경우는영재그룹에서좌측에더높은활성을보이는반면상위그룹은우측에더높은활성을보이고있다. 이러한결과는과제의수행에있어서두그룹간의전략사용의특성을짐작할수있다

68 Kosslyn(1987) 에따르면범주적공간관계는좌반구의기능, 계량적공간관계는우반구의기능이라고제안한다. 따라서영재그룹은과제를전체적인특징을파악 ( 범주적공간관계 ) 하는것에에너지를더쓰는반면상위그룹은과제의세세한부분을따지는 ( 계량적공간관계 ) 것에에너지를더쓰며과제수행을한것으로추론할수있다 측두엽영역 (Temporal lobe area) 측두엽영역은주로언어중추의기능을담당한다. 특히 Baas et al., (2004) 은. 측두엽영역의활성은 fmri과제가문자가아니라도형과제일지라도사물의명칭을인출하여언어적으로정보를처리한다는것을밝혔다. 따라서우측측두엽에서시각적정보및복잡한공간도형을기억처리하고좌측측두엽에서는그정보를받아서언어적으로처리한것으로짐작할수있다. 또한측두엽영역의시각연합영역 (BA19) 은시각피질로써현재보고있는것의인식과기억하는것과의비고를통해분석적이고세밀한정보를수집하는과정으로 [ 그림 24] 좌측중측두회와우측하중측두회의그룹간활성차이

69 나타난다 (Mark F. Bear et. al., 2009 ; 강봉균외 21 인역 ). 이러한측두엽영역의 기능은 fmri 과제수행시도형을유추, 분석, 이해하는과정에서활성이되는것으 로볼수있다. 또한측두엽영역의방추사는물체에대한보다세밀한관찰을할때활성되는 (Smith et al., 2005 ; 권용주 이준기, 2007) 영역이며, 시각적정보처리에도차별적으로관여하는후두엽과측두엽에걸쳐있는영역이다. 이영역은상위그룹에서는활성이없었고, 영재그룹 (M=0.18, SD=0.247) 은비록높은활성이아니었어도활성을나타냈다는것은처음접하는과제해결에대한강한의지의정도를나타낸것으로짐작할수있다. 본연구에서측두엽영역의두드러진활성은중측두영역 (Middle temporal lobe) 으로좌측중측두회 (Middle temporal G_L) 에서영재그룹 (M=0.58,SD=0.442) 이상위그룹 (M=0.16,SD=0.265) 보다유의하게 (p<0.001) 높은활성도를나타내었으며, 우측중측두회 (Middle temporal G_R) 에서도영재그룹 (M=0.46, SD=0.974) 이상위그룹 (M=0.01,SD=0.728) 보다유의하게 (p<0.001) 높은활성을나타내었다. 반면에좌측뇌섬엽 (Insula_L) 에서는상위그룹 (M=0.30, SD=0.213) 의활성이나타났지만영재그룹에서는활성이나타나지않았다. 이러한결과는상위그룹의 MRI 촬영에대한정서적인경험조절에영재그룹에비해많은에너지를사용한다고볼수있다 전두엽영역 (Frontal lobe area) 전두엽영역 (Frontal lobe) 은공간작업기억에중요한역할을하며, 주의통제의집행적측면에관여할뿐만아니라운동반응의선택, 게시와억제에도관여한다. 주의는또한공간위치, 대상의속성, 혹은대상전체에근거하여정보를선택하게한다. 정보의선택이특정한특성에의하여이루어지면, 이특성의처리에관여하는것으로알려진뇌영역의활성화가증가한다 (Gazzaniga et al., 2008). 게다가이수화, 이경민 (2000) 은전두엽영역중에서도좌측상전두회 (Superial Frontal-G_L) 의소뇌와의관련성을밝혔다. 즉, 좌측상전두회기능을여러종류의작업기억중에서도언어적작업기억의처리에서소뇌기능과의관련성이다

70 좌측중전두회 (Middle Frontal_G_L ) 는배외측전전두피질 (Dorsal lateral Prefron [ 그림 25] 좌측상전두회와우측상전두회의그룹간활성차이 -tal Cortex : DLPFC) 의일부분으로작업기억과주의통제에중요하며, 주로의사결 정과외부정보들의통합에대한역할을한다고알려져있다 (Caveza & Nyberg, 200 0;Goel & Dolan, 2003a, 2003b). 게다가좌측중전두회 (Middle Frontal_G_L) 는목표지향적행동의표상에도관여하며고등사고및추론의핵심영역으로보고되고있다. 뇌의다른영역들로부터전달되는정보들을최종적으로추상적수준에서관계짓거나통합하는역할을매개한다 (Green et al., 2006 ; 권용주, 이준기, 2007). 특히좌측하전두회 (Inferior Frontal G_L, BA44) 는실제말을하지않고언어를생각만해도활성이되었다 (Caveza & Nyberg, 2000 ; 이경민, 2005 ;Naghavi & Nyberg, 2005 ; Rosenzweig et al., 2005) 는선행연구들이적지않게있다. 이영역은복내측전두피질 (Ventral lateral prefrontal cortex; VLPFC) 의일부분으로추론및사고과정에서의감성의개입이나 (Damasio, 1997; Goel &Dolan, 2005), 신념 (Goel & Dolan, 2003b), 선지식에의한오판 (Goel &Dolan, 2003a), 직관및확률적추론 (Stavy et al., 2006), 불확실한상황하에서의의사결정 (Black-wood et

71 al., 2005a, 2005b) 등에다양하게영향을미치는영역이다. [ 그림 26] 좌측하전두회와내측면우상전두회의그룹간활성차이 본연구에서나타난전두엽영역의활성은좌측상전두회 (Superior frontal_g_l) 에서영재그룹 (M=1.18, SD=0.719) 의활성이상위그룹 (M=0.77, SD=0.470) 보다유의하게 (p<0.01) 높게나타났으며, 우측상전두회 (Superior frontal_g_l) 에서도영재그룹 (M=0.97, SD=0.974) 이상위그룹 (M=0.46, SD=0.601) 보다유의하게 (p<0.05) 높은활성을나타났으며, 두그룹모두우측상전두회보다좌측상전두회의활성이높게나타났다. 좌측하전두회 (Inferior frontal_g_l) 에서는영재그룹 (M=0.26, SD=0.210) 이상위그룹 (M=0.33, SD=0.182) 보다낮게나타났지만유의하지는않았다. 내측우상전두회 (Medial Superior frontal G_R) 에서는영재그룹 (M=0.97, SD=0.974) 이상위그룹 (M=0.46, SD=0.601) 보다유의하게 (p<0.05) 높은활성을나타냈다 후두엽영역 (Occipital lobe area) 후두엽영역의일차시각영역 (BA17) 을둘러싸고있는후두엽피질인시각연합영

72 역 (BA18, BA19) 은측두엽과마찬가지로시각피질에해당되는부위이다 (Rosenzwei -g et al., 2005). 이것은 fmri과제수행에서자신이기존에알고있던내용 ( 경험상황 ) 과현재직면한현상 ( 관찰현상 ) 과의비교를위해심상 (mental image) 을표상하기때문에활성화된다 ( 권용주등, 2007). 또한관찰현상에대한시각정보를받아들인후그정보에대한사고를하기전에, 시각적작업기억에후두엽과두정엽의연결망을통해내적으로일어나는심적인이미지의형태로표상하게된다 (Knauff et al., 2002; Mazard et al., 2005). [ 그림 27] 좌측하후두회의중후두회의그룹간활성차이 따라서본연구에서나타난후두엽영역 (Occipital lobe area) 은우측하후두회 (Occipital_Inf_G_R) 로두집단모두높은활성을나타내고있다. 이영역은형태와색을감지하는회로로써사차시각영역 (V-4) 으로이어지며브로드만영역 20, 21에해당하는하측두엽시각피질 (inferior temporal visual cortex) 에종지한다. 이영역 ( 우측하후두회, Occipital Inf_G_R) 에서는영재그룹 (M=1.03, SD=0.579) 과상위그룹 (M=1.06, SD=0.490) 의비슷한활성을나타내고있다. 이러한결과는후두엽영역의다른활성영역인우측후두정엽 (Middle Occipital_G_R) 에서영재그룹 (M=0.55, SD=0.337), 상위그룹 (M=0.53, SD=0.338), 좌측중후두회 (Middle

73 Occipital_G_L) 의영재그룹 (M=0.49, SD=0.332), 상위그룹 (M=0.41, SD=0.213) 의 활성과유의하게 (p<0.000) 높은활성정도차이를나타내고있다 기저핵 (basal ganglia) 기저핵 (basal ganglia) 은운동기능을원활하게하도록하는책임을맡고있는중요한영역이다. 이영역이충분하고정확한정보를얻지못하면행동과표현이어색해진다 (Gazaniga et al., 2008). 이러한기능을하는기저핵 (basal ganglia) 의위치는담창구 (pallidus golbus), 미상핵 (Caudate nucleus), 피각 (putamen), 그리고선조체 (striatum) 로알려져있는측핵 (nucleus accumbens) 과흑질 (substantia nigra) 및시상하핵 (sub thalamic nucleus) 과같은피질하핵들로이루어진복합체이며시상 (thalamus) 근처에위치한다 (Mark F. Bear et al., 강봉균외역 2009). [ 그림 28] 좌측미상핵과우측미상핵의그룹간활성차이 이영역으로들어오는대부분의정보는미상핵 (Caudate nucleus) 과피각 (putame -n) 으로전해지며, 반면에이영역에서나가는대부분의정보는담창구에서나와 시상으로전해지고, 이어서시상에서는다시피질로보내진다. 이처럼피질영역과

74 연결망을이루는기저핵구조는다른피질영역에서시작하여, 선조체 (striatum) 와담창구 (pallidus golbus) 의특정영역를통해서다시피질로보내진다. 이때각연결망은전두엽이나변연계로부터정보를받으며, 이어서받은정보를다시그영역들에게로보낸다 (Erk, Spitzer, Wunderlich, Galley, & Walter, 2002). 이와같이피질에영향을미치는것외에도기저핵에서나가는정보는상소구를통해안구운동에도영향을미칠뿐아니라, 운동통제기능에서는운동체계를 세팅 하고, 수의적인활동을수행할수있도록신경계를준비시키는것으로자세에대한통제를한다. 그리고운동활동들간의타이밍과교환을통제하는등이미익숙한연쇄운동활동에대한자동항해장치로서의기능을하며, 새로운정보를주고받는관계의규칙성을학습할때운동학습과운동계획하기에중요한역할을한다 (Gazaniga et al., 2008). 본연구에서의담창구 (Pallidum_L or pallidus golbus) 와미상핵 (Caudate_L) 의활성중에서담창구 (Pallidum_L) 의활성은유의하지않았으며, 우측미상핵 (Caudate_R) 또한영재그룹 (M=0.10, SD=0.178) 과상위그룹 (M=0.10, SD=0.116) 간의차이가유의하지않았다. 반면에좌측미상핵 (Caudate_L) 은영재그룹 (M=0.56, SD=0.360) 이상위그룹 (M=0.30, SD=0.216) 에비해유의하게 (p<0.001) 높은활성을나타내었다. 이러한결과는 fmri촬영시제한된시간안에답을해야하는것도있었지만과제의답이 1번일때는오른쪽버튼을한번, 2번일때는오른쪽버튼을두번누르는것. 과제의답이 3번일때는왼쪽버튼을한번, 4번이답일때는왼쪽버튼을두번두른다는생소한규칙을머리에 세팅 하고, 수의적활동을하는것에상위그룹보다훨씬강한집중을한결과라고사료된다. 따라서기존의잘학습된행동규칙을뒤엎는생소한규칙을기억 ( 학습 ) 하고운동계획을세우고이행할때좌측미상핵의역할이중요하다고추론할수있다 변연계 (limbic system) 변연계 (limbic system) 는편도체 (amygdala), 시상하부 (hypothalamus), 대상피질 (cingulate cortex), 전측시상 (anterior thalamus), 유두체 (mammillary body), 그리 고해마 (hippocampus) 가포함되는구조이다 (Gazaniga et al., 2008). 이구조물들

75 은주로감각세계나개인의내적상태에관한정보들을피질로부터의정보들과연결시켜주는기능을한다고알려져있다. 본연구에서는우측해마에서두그룹모두활성이나타나지않았지만좌측해마 (Hippocampus_L) 에서는영재그룹 (M=0.30, SD=0.257) 이상위그룹 (M=0.12, SD=0.259) 보다유의하게 (p<0.01) 높은활성차이를나타내었다. [ 그림 29] 좌측해마와내측면우측해마의그룹간활성차이 그리고영재그룹에서는활성이나타나지않은전측대상회의활성이상위그룹 (M=0.94, SD=0.728) 에서는나타났다. 전측대상회는운동조작과행동의선택에관여한다고알려져있다. 그러나이영역이다양한인지기능에도중요한기능을한다는최근연구들도있다 (Allman et al., 2001). 또다른선행연구 (Weiss, 2000; Nakao, 2005) 는전측대상회의기능에대해반응선택시주의통제가요구될때와, 수행하는과제가어렵거나요구되는것이많을수록이영역의활동이두드러진다고추론했다. 따라서본연구의비교군인상위그룹에서나타난전측대상회 (Anterior Cingulum_G) 의활성이비록유의한정도는아니었어도상위그룹의 fmri( 복잡과제 )

76 수행시의정서상태를짐작할수있다. 반면에영재와일반청소년의뇌활성화를비교한연구 (Haier, Jung, Yeo, Head, & Alkire, 2004 ; Lee et al., 2005 ; O Boyle et al., 2005 ; 김성일, 2006) 에서영재들이뇌의양쪽반구의두정엽, 전두엽그리고전측대상회에서의활성이상대적으로크다고했다. 뿐만아니라국내의이건호교수팀의연구 (2006) 에서도영재군이추론과제와작업기억과제수행시좌 우반구의외측전전두엽피질, 전대상피질 (anterior cingulate, ACC), 후두정엽피질에서활성을보였다고했다. 이러한연구들은전측대상회의활성이영재그룹의특정활성영역으로나타나고있다. 그러나본연구에서는영재그룹의활성이두정엽, 전두엽에서는두드러지게상위그룹보다높게 (p<0.05 ~0.000) 나타나고그외여러영역에서도영재그룹의활성이높게나타났지만전측대상회에서의활성은없었다. 따라서전측대상회와영재그룹간의관련성에대한보다세밀한후속연구가필요하다고본다. 과학은반론에서발전으로이어지지않은가? 소뇌 (cerebellum) 소뇌는뇌간옆, 후두엽아래위치하고있는콜리플라워 (cauliflower, 꽃모양배추 ) 모양의조직이다. 소뇌의기능은운동기능에조절적효과를가질수있는정확한위치설정을하고있는셈이다. 또한신체의움직임이본인이의도한바와일치하는지의여부를판단하는기능작용 (Schmahmann & Sherman, 1998) 뿐아니라언어나기억과같은상위인지과제에중요한타이밍장치와같은기능을한다. 소뇌의이런기능들은연속적사건의시간적관계성을판단하는데결정적으로중요한듯하다 (Ivry, 1997 ; Mrie T. Banich, 김명선, 강은주외, 2009) 는연구결과가밝혀지고있다. 또다른연구 (Singer et al., 2004) 는소뇌를통해정보가전달될때운동기능에중요한다른뇌영역과연결망을형성하고이어서소뇌가여러운동의협동을계획해서몸의균형과운동의특성에맞는자세와동작그리고팔다리운동의협응을조절한다. 게다가셈하기와배열하기등기타인지활동에도관여하는것으로밝혔

77 다. [ 그림 30] 좌측소뇌와우측소뇌의그룹간활성차이 또한전두엽영역에서밝힌바있는소뇌의고등인지기능은언어적작업기억이다. 여기서소뇌는좌측상전두회 (Superial Frontal-G_L) 의여러작업기억중에서도언어적작업기억의처리에중요한기능을발휘한다 ( 이수화, 이경임, 2000) 는것이다. 본연구에서는소뇌의영역중에서도우측소뇌 (Cebellum_8_R) 의활성은두그룹모두나타나지않았지만, 좌측소뇌 (Cebellum_8_L) 에서는영재그룹 (M=0.32, SD=0.318) 이상위그룹 (M=0.04, SD=0.257) 에비해유의한 (p<0.001) 활성차이를나타내고있다. 이러한결과는영재그룹이소뇌를통해전달받은과제에대한정보와그에대한처리계획을세우는것에상위그룹보다더많은에너지를사용한다는것을알수있다. 이또한영재그룹과상위그룹간의과제에대한문제해결력의정도를나타내는것으로추론된다

78 4. 두그룹 (Gifted_High) 의두뇌활성영역차이에대한논의 영재그룹의활성영역중에서도상위그룹보다높은활성을보인영역은좌측하두정회 (Inferial Parietal_G_L), 우측각회 (Angular_R), 상전두회 (Superial Frontal gyrus), 미상핵 (Caudate_L), 소뇌 (Cerebellum) 이다. 이중에서도특히높은활성을나타낸영역은우측각회 (Angular_R), 좌측하두정회 (Inferial Parietal_G_L) 그리고좌 우측상전두회 (Superial Frontal gyrus) 이다. 이러한결과는영재그룹의과제수행시뇌영역의선호성이강한특정영역이므로이들세영역은영재성을대표하는영역으로사료된다. 특히좌측하두정회 (Inferior Parietal gyrus_l, BA39) 는아인슈타인의뇌로알려진영역이다. 아인슈타인은이영역이보통사람들보다약 15% 더큰부위이다 (Sousa,2003). 아인슈타인의뇌를연구한사람들 (Witelson, Kigar, & Harvey, 1999) 의추측은아인슈타인이생애초기에수연산과공간능력에서강세를보였으며, 그때엄청난두정엽의발달이이루어졌을것이라고했다. 이러한추측을밝히기위해아인슈타인영역이라고하는좌측두정엽부분을전기로자극한한연구에서는피험자가간단한곱셈과수와관련된사실의인출에어렵을나타났다 (Whalen et al., 1997) 고밝혔다. 물론이런연구결과는수관련인출과처리에다른뇌영역의연결망적기능을할가능성을배제하지는않지만, 좌측두정엽손상환자들을관찰한다른연구들 ( 이환자들은수연산에어려움을나타냈다 ) 을지지해준다 (Hittmair-Delazer, Semenza, & Denes,1994). 다음으로전두엽과각회 (angular gyrus) 부분의활성은정확한계산을할때주로활성화되는부분으로이들두부위는언어과제와관련된다. 이러한사실은이연결망이정확한계산에필요한언어처리를담당한다는것을알수있다 (Dehaene et al., 1999). 또다른연구 (Thompson et al., 2001) 는영재들의전두엽용량이크다는것을밝혔다. 영재들의뇌에서는수초화가더신속하고폭넓게일어난다. 그래서영재들의전두엽은범재들에비해일찍성숙한다고추론할수있다. 이러한추론을지지하는증거가있다. 한 EEG연구에서고등학생영재그룹의알파파수준은대학생의알파파수준과비슷했다는결과로영재청소년이그들또래의보통청소년에비해

79 뇌가더발달한상태라는것을밝혔다 (Alexander, O Boyle, & Benbow, 1996). 이처럼똑같은공간과제를수행하는데도명백한편재화 ( 뇌영역선호 ) 가나타나 는것은피검자가과제를수행하는전략 ( 공간적전략, 언어순차적전략 ) 이다르기 때문이라고사료된다. 따라서본연구에서는영재들이일정한문제나상황을얼마나철저히생 각하고 ( 인지 ), 문제해결과정내내자신의사고에대해어떻게생각하는지 ( 상 위인지 ) 를관찰되었다. 즉, 과학 ( 수학 ) 영재들의과제에대한추론과주의집중, 문제해결에대한집념이강하다는것은문제를총체적으로보는것과동시에세밀한분석적이이루어지는것으로보인다. 그러므로영재들의이러한뇌기반특성을바탕으로교육과정을편성하고교수가이루진다면영재교육효과를더배가시키는것을물론이거니와일반학교에서도학생들이싫어하는주입식위주의교육방법을변화시킬수있을것이라고본다. 5. 두뇌활성영역간의상관성 fmri과제 ( 복잡과제 ) 수행시뇌의활성화된여러영역들은서로연결망을가지면서기능한다. 따라서본장에서는특정영역 ( 활성도가높은 ) 끼리의상관성과그정도를연구분석한다. 이를위해두그룹 ( 영재, 상위 ) 의영역들간의상관성은실험참가자의활성좌표의 BOLD(Blood Oxygen Level Development) 값을구하고그것을이변량상관분석을하였다. 일반적으로두뇌활성영역은 ROI(region of interest) 로나타낸다. 본연구에서는두뇌활성영역을 SPM의 MNI(Montrgreal Neurological Institute) 좌표값에따라나나타난영역을서로다른 ROI(region of interest) 간의관련성이유의한좌표쌍끼리를그래프와표로제시한것이다. 유의성은 P values로나타내었다

80 5.1. 우측중심전회 ( ) 와우측중측두회 ( ) 의 상관성 [ 그림 31] 우측중심전회와우측중측두회의상관성 p <.05 p <.01 우측중심전회 와우측중측두회 의상관성은두그룹모두다소높은상관성 ( 영재그룹 : r = 0.6, <0.05, 상위그룹 : r = 0.5, <0.05 ) 을나타내고있다. 이러한결과는우측중측두회 (Temporal_Mid_R) 는스크린에비치는 fmri과제를인지, 처리하는기능을하고, 우측중심전회 (Precentral_R, 일차운동영역 ) 는신체의운동을통제하는기능과의관련성을짐작할수있다. 즉, 중측두회가과제를인지하고처리해서답을도출하고중심전회는그답을가슴위에놓여있는버튼을답에맞게누르는운동을하기때문에두그룹모두다소높은상관성을나타냈다고사료된다

81 5.2. 좌측중심후회 ( ) 와우측각회 ( ) 의상관성 [ 그림 32] 좌측중심후회와우측각회의상관성 p <.05 p <.01 좌측중심후회 와우측각회 의상관성 ( 영재그룹 : r = 0.54, <0.01, 상위그룹 : r = 0.41, <0.05) 은다소높게나타났다. 이러한결과는좌측중심후회 (Postcentral_L, 일차감각영역 ) 가특정감각양식 ( 시각정보 ) 에대한정보를받는대뇌피질의첫번째영역이고우측각회 의기능은과제를공간정보로처리하므로두그룹모두두영역간의상관성이높게나타난것으로사료된다

82 5.3. 좌측중측두회 ( ) 와우측중측두회 ( ) 의상관성 [ 그림 33] 좌측중측두회와우측중측두회의상관성 p <.05 p <.01 좌측중측두회 와우측중측두회 의상관성은두그룹모두유의하게높은상관성 ( 영재그룹 : r = 0.6, <0.00, 상위그룹 : r = 0.7, <0.00) 을나타내고있다. 이러한결과는두영역이영역상의위치가각회 (BA39, Angular_G) 와일부겹치는부분이기도하고, 주로언어중추의기능을담당한다. 그러므로제시된자극이문자가아니라도형자극이더라도사물의명칭을인출하여언어적으로정보를처리한다는것을알수있다 (Baas et al., 2004). 따라서우측측두회에서시각적으로정보및복잡한공간도형을기억하고좌측 측두회에서는그정보를받아서언어적으로처리하기때문인것으로사료된다

83 5.4. 우측각회 ( ) 와좌측하두정회 ( ) 의상관성 [ 그림 34] 우측각회와좌측하두정회의상관성 p <.05 p <.01 좌측하두정회 와우측각회 의상관성은두그룹 ( 영재그룹 : r = 0.54, <0.01, 상위그룹 : r =0.41, <0.05) 모두다소높은상관성을나타내고있다. 이러한결과는우측각회 (Angular_R) 에서과제를읽고그과제의도형의변화성을유추하고, 좌측하두정회 (Parietal_Inf_G_L) 에서는그정보 ( 들어오는감각정보 ) 을수용해서시각적 ( 공간적 ) 으로정보를처리하기때문인것으로추론할수있다

84 5.5. 좌측하두정회 ( ) 와좌측미상핵 ( ) 의상관성 [ 그림 35] 좌측하두정회와좌측미상핵의상관성 p <.05 p <.01 좌측하두정회 와좌측미상핵 의상관성은두그룹 ( 영재그룹 : r = 0.40, <0.05, 상위그룹 : r = 0.42, <0.05) 모두다소높은상관성을나타내고있다. 이러한결과는좌측하두정회 에서시공간적으로정보 ( 과제 ) 를처리한결과를좌측미상핵 에서는기존에잘학습된행동을뒤엎을새로운입력 출력관계의규칙성을학습 ( 과제의답이 1번일때는오른손한번, 2번일때는오른손을두번누르는것. 과제의답이 3번일때는왼손을한번, 4번이답일때는왼손을두번두른다 ) 한생소한규칙을머리속에 세팅 하고, 수의적활동에집중하며두정엽과의상호협력을이룬다는것을알수있다

85 5.6. 좌측하두정회 ( ) 와우측해마 ( ) 의 상관성 [ 그림 36] 좌측하두정회와우측해마의상관성 p <.05 p <.01 좌측하두정회 와좌측해마 의상관성은영재그룹 (r = 0.38, <0.05) 이다소높은상관성을나타내고있다. 이러한결과는특정한사건을구성하는상황적이고관계적인정보를제공하는데중요하다. 즉, 개인의감각세계나개인의내적상태에관한정보와좌측하두정회의기능인과제를공간적으로처리하는기능발휘와의관련성인것으로추론할수있다

86 5.7. 우측방추사 ( ) 와좌측미상핵 ( ) 의상관성 [ 그림 37] 우측방추사와좌측미상핵의상관성 p <.05 p <.01 우측방추사 (Fusiform_R) 와좌측미상핵 (Caudate_L) 의상관성은영재그룹 (r = 0.5, <0.00) 두영역간의비교적높은상관성을나타내고있다. 이러한결과는물체에대한보다세밀한관찰을할때활성이되는방추사 의기능과잘학습된행동을뒤엎을새로운입력 출력관계의규칙성을학습할때와운동학습과운동계획을할때중요한역할을하는미상핵 (Caudate_L) 의기능이상호통합작용을한다고추론할수있다. 또한이부분에서도영재그룹의과제를수행할때실수를하지않으려는것과더불어반드시해결하려는강한집중을엿볼수있다

87 5.8. 우측중심전회 ( ) 와좌측중측두회 ( ) 의 상관성 [ 그림 38] 우측중심전회와좌측중측두회의상관성 p <.05 p <.01 우측중심전회 (Precentral_R) 와좌측중측두회 (Temporal Mid_L) 의상관성은영재그룹 (r = 0.5, <0.00) 비교적높은상관을나타내고있는반면상위그룹은그다지상관성을나타내지않는다. 이러한결과는좌측중측두회의기능 ( 우측측두엽으로부터받은시각적정보및복잡한공간도형에대한기억을, 좌측측두엽 ( 에서는그정보를언어적으로처리 ) 과중심전회 (Precentral_R) 의기능 ( 손과같은원위부근육의정확한운동에필요한근육을조절하는기능 ) 간의관련성을짐작할수있다. 즉, 과제의답을버튼을눌러서표현하는것에서기존의방식과다른새로운방식이었으므로영재그룹이상위그룹보다더많은에너지를사용한것으로추론할수있다

88 5.9. 좌측상전두회 ( ) 와좌측소뇌 ( ) 의 상관성 [ 그림 39] 좌측상전두회와좌측소뇌의상관성 p <.05 p <.01 좌측상전두회 와좌측소뇌 의상관성은상위그룹에서는유의하지않게나타났지만영재그룹 (r = 0.5, <0.01) 은다소높은상관성을나타내고있다. 이러한사실은영재그룹이좌측상전두회의기능발휘에있어서좌측소뇌의통합기능적영향을더크게받는다는것을나타낸다고볼수있다. 즉, 소뇌의기능중에서도인지기능의타이밍 (timing) 에중요한역할을한다는연

89 구들을지지하는것으로보인다. 즉, fmri과제가제시되는스크린의우측상단에나타나는초시계 (3,2,1초) 의제한된시간에집중하며전두엽의기능과상호통합작용한다는것으로사료된다. 이러한결과는영재들의특성의일부인과제에대한집착성과도관련성이크다고사료된다 우측상전두회 ( ) 와소뇌 ( ) 의상관성 [ 그림 40] 우측상전두회와소뇌의상관성 p <.05 p <.01 우측상전두회 와소뇌 의상관성은영재그룹 (r = 0.42, <0.05) 로다소높은상관성을나타내고있으나상위그룹은상관성이나타나지않았다. 이러한결과는전두엽의좌, 우활성정도차이 ( 그림25, 두그룹모두좌측전두

90 회가우측전두회보다높은활성도를보임 ) 에서나타난결과와의관련성으로볼수 있다. 즉, 전두회의에너지를사용하는정도에따라소뇌와의상관성정도도다를것 이라고추론할수있다 우측하두정회 ( ) 와좌측하두정회 ( ) 의 상관성 [ 그림 41] 우측하두정회와좌측하두정회의상관성 p <.05 p <

91 우측하두정회 와좌측하두정회 의상관성은영재그룹 (r = 0.56, <0.01) 에서는다소높은상관성을나타내고있는반면상위그룹은상관성이나타나지않았다. 이러한결과는영재그룹이과제를수행하는동안시각적속성과공간내의위치를서로결합하는과정에서상위그룹보다는좌, 우두정영역의상호통합기능을더사용하는것으로추론할수있다. 특히두정엽영역 (Parietal lobe area) 은영재그룹에서의두드러진활성으로상위그룹과의차별성을나타낸영역이며, 영재들의과제수행에대한특정영역이라고할수있다. 따라서평소학교에서이뤄지고있는학습환경 ( 방법 ) 과, 교육과정의특징들이 fmri과제 ( 복잡과제-도형의유추 ) 를수행하는동안에도나타난다는것은십대들의뇌가변화무상한시기인만큼모든교수-학습양식이뇌의사용전략에큰영향을미친다는것을알수있다

92 5.12. 좌측상두정회 ( ) 와좌측상전두회 ( 의상관성 [ 그림 42] 좌측상두정회와좌측상전두회의상관성 p <.05 p <.01 좌측상두정회 와좌측상전두회 의상관성은영재그룹 (r = 0.62, <0.01) 이유의하게높은상관성을나타내고있다. 이러한결과는두정회와전두회가영재그룹의특정영역인것을알수있다. 즉, 영재그룹은시각정보를두정엽영역에서공간적으로처리하고, 그정보를창의성과판단력을발휘하는전두엽영역과의기능통합작용을더강하게하는것으로사료된다

93 5.13. 좌측하전두회 ( 와우측하측두회 ( ) 의상관성 [ 그림 43] 좌측하전두회와우측하측두회의상관성 p <.05 p <.01 좌측하전두회 와우측하측두회 의상관성은

94 상위그룹은유의수준에못미치는상관성을나타내고있지만영재그룹 (r = 0.5, <0.01) 은다소높은상관성을나타내고있다. 이러한결과는영재그룹이좌측하전두회 ( ) 와우측하측두회 ( ) 의상호통합기능을상위그룹에비해더강하게사용한다는것을알수있다. 여기서하측두회의앞부분은최종분석된시각자극과체감각자극이종합되는곳으로다중감각연합 (Multisensory association) 기능을하는곳이다. 즉, 감각정보가최종적으로하측두회로들어오면그사물을완전하게인식하게되고, 다음으로전전두엽피질과운동영역을거쳐반응하는것 (Kennedy, Mather, & Carstensen, 2004) 이다. 6. 두뇌활성영역간의상관성결과논의 이와같이 fmri 과제 ( 복잡과제 - 도형의유추 ) 를수행하는동안에나타난두뇌활성 영역들간의상관분석결과는뇌영역간의상관좌표쌍으로다음과같은결론을 내린다. 첫째, 두그룹 ( 영재, 상위 ) 모두에서상관성을나타낸영역은상과분석 1번 ~ 5 번까지이다. 그영역은 1우측중심전회 (Precentral_G_R) 와우측중측두회 (Temporal_Mid_G_R) 에서영재그룹 (r = 0.6, <0.05), 상위그룹 (r = 0.5, <0.05 ) 2중심후회 (Postcentral_G_L) 와우측각회 (Angular_G_R) 에서영재그룹 (r = 0.54, <0.01), 상위그룹 (r = 0.41, <0.05), 3좌측중측두회 (Temporal_Mid_G_L) 와우측중측두회 (Temporal_Mid_G_R) 에서영재그룹 (r = 0.6, <0.00), 상위그룹 (r = 0.7, <0.00) 4우측각회 (Angular_G_R) 와좌측하두정회 (Parietal_Inf_G_L) 에서영재그룹 (r = 0.54, <0.01), 상위그룹 (r =0.41, <0.05) 5좌측하두정회 (Parietal_Inf_G_L) 와좌측미상핵 (Caudate_G_L) 에서영재그룹 (r = 0.4, <0.05), 상위그룹 (r = 0.42, <0.05) 이다. 이러한상관좌표쌍은고등학생들의시공간과제에대한고등사고과정에서나타 나는영역이라고사료된다. 그렇지만모든고등학생들을대표할수는없다. 왜냐하

95 면뇌는분명우리의선택에따라변화한다. 악기연주혹은자동차운전, 그리고프로바둑이나체스기사같은기능을학습하는것은뇌영역의선호에따라뇌의구조를증대시키는영향을미치 (Gaser & Schlaug, 2003 ; Maguire et al., 2003) 듯이고등학생들중에서도열심히공부하는부류와그렇지않은부류그리고운동을전문으로하는부류들의뇌는분명차이 (Draganski et al., 2006) 를나타내기때문이다. 게다가본연구에참여한비교그룹들은 5개고등학교에서상위 1~2% 수준의우수한학생들이어서분명뇌영역의선호도에차이를나타낼것이기때문이다. 둘째, 영재그룹 ( 과학영재 ) 에서만유의한상관성을나타낸영역은상과분석 6번 ~ 13번까지이다. 그영역은 6좌측하두정회 (Parietal_Inf_G_L) 와좌측해마회 (Hippocampus_G_R) 에서 r = 0.38 (<0.05), 7우측방추상 (Fusiform_R) 와좌측미상핵 (Caudate_L) 에서 r = 0.5 (<0.00), 8우측중심전회 (Precentral _R) 와좌측중측두회 (Temporal Mid_L) 에서 r = 0.5 (<0.00), 9좌측상전두회 (Frontal_Sup_G_L) 와소뇌 (Cerebellum_G_L) 에서 r = 0.5 (<0.01), 10우측상전두회 (Frontal_Sup_G_L) 와소뇌 (Cerebellum) 에서 r = 0.42 (<0.05), 11우측하두정회 (Parietal_Inf_G_R) 와좌측하두정회 (Parietal_Inf_G_L) 에서 r = 0.56 (<0.01), 12좌측상두정회 (Parietal_Sup_G_L) 와좌측상전두회 (Frontal_Sup_G_L) 에서 r = 0.62 (<0.01), 13좌측하전두회 (Frontal_Inf_G_L) 와우측하측두회 (Temporal_Inf_G_R) 에서 r = 0.5 (<0.01) 이다. 위와같은상관좌표쌍은과학영재고등학생들의시공간과제에대한고등사고 과정에서나타내는특정영역이라고사료된다. 셋째, 이러한뇌영역간의상호통합이나, 뇌의전략사용영역을바탕으로척도를 개발한다면학생별로학습발달이다른이유와그에따른대책을세울수있어서학 생들로하여금보다효율적으로학습할수있게할것이다. 7. 대뇌피질분석결과 모든학습은뇌에서이루어진다. 주로동물연구를통해서밝혀진환경과뇌신경

96 세포의발달관계에관한연구는풍요한환경이뇌신경세포들의수상돌기수, 모양의변화, 및혈관의두께변화등을가져와대뇌피질을더욱두껍게만든다는사실을밝혀냈다 (Diamond & Hopson, 2002; 김성일, 2006). 그렇지만후기아동기인고등학생들의뇌는또다른특징적변화들이있다. 본연구에서활성을두드러진나타낸두정엽은 12 ~ 17세까지중요한변화를겪고, 회백질 (gray matter) 덩어리인전두엽은 18~20세쯤수초화가거의마무릴될정도로가장늦게발달하는영역이면서도큰변화를겪는다. 또한회백질 (gray matter) 은 11 ~ 13세경에는두껍지만 13 ~ 20세경에는 7 ~ 10% 정도가얇아진다. 이것은회백질의전체양이늘어나는십대시기에매년회백질의 1% 를줄이는대량의 가지치기 가일어나기때문이다 (Paus et al., 1999). 게다가 Philip Show(2006) 와 Sharife Karama(2009) 의지능에따른대뇌피질차이를밝힌연구 (7세 ~ 19세, Left superior/medial prefrontal_g, Right superior/medial prefrontal _G, Left middle temporal_g) 에서일반지능그룹의피질두께는 7세들에서비교적두꺼운피질두께 (4.6), 8세들은그룹내에서가장두꺼운피질두께 (4.67), 그리고 19세들은그그룹에서가장얇은피질두께 (4.2) 를나타났다. 그리고상위지능그룹의피질두께는 7세들에서세그룹중가장두꺼운 (4.7), 9세들은그그룹내에서가장두꺼운피질두께 (4.75) 를나타냈고, 19세들의피질두께는그그룹내에서가장얅게 (4.35) 나타났다. 반면에영재지능그룹의피질두께는 7세들에서세그룹중에서가장얇게 (4.37) 나타났으며, 12세들은그그룹내에서가장두껍게 (4.7) 나타났고, 19세들은일반지능그룹과마찬가지로가장얇게 (4.2) 나타났다. 따라서본연구에서나타난대뇌피질의변화를살펴본다 각그룹의영역별대뇌피질두께 각학교에서한학기를마친두그룹의대뇌피질은아래그래프와같다 영재그룹의영역별대뇌피질두께

97 [ 그림 44] 영재그룹의영역별 1 차대뇌피질두께 영재그룹의 1차대뇌피질은 ➀우측측두피질 (M=2.979, SD=0.151), ➁우측각회 (M=2.891, SD=0.176), ➂좌측측두피질 (M=2.835, SD=0.168), ➃전대상피질 (M=2.718, SD=0.260), ➄좌측 BA10(M=2.715, SD=0.173), ➅좌측후두정피질 (M=2.714, SD=0.243), ➆우측 BA10(M=2.709, SD=0.153), ➇좌측전전두피질 (M=2.620, SD=0.137), ➈우측전두피질 (M=2.559, SD=0.127), ➉좌측전두피질 (M=2.558, SD=0.126) 순의두께를나타내었다. 한학기를마치는동안영재그룹은대뇌피질의전측대상회 (Ant_cingulate) 와좌 측후두정엽 (LT_Post_parietal lobe) 의피질감소가다른영역에비해두드러진영 역이었다. 반면에우측전두엽영역의피질이증가했다는것이두드러지는점이다

98 [ 그림 45] 영재그룹의영역별 2 차대뇌피질두께 영재그룹의 2차대뇌피질은 ➀우측측두피질 (M=2.951, SD=0.136), ➁우측각회 (M=2.837, SD=0.206), ➂좌측 측두피질 (M=2.791, SD=0.167), ➃좌측BA10 (M=2.710, SD=0.136), ➄우측 BA10(M=2.693, SD=0.110), ➅전대상피질 (M=2.620, SD=0.286), ➆좌측후두정피질 (M=2.614, SD=0.101), ➇우측전두피 질 (M=2.566, SD=0.100), ➈좌측전전두피질 (M=2.560, SD=0.120), ➉좌측전두피 질 (M=2.532, SD=0.122) 순으로피질두께의변화를보였다

99 상위그룹의영역별대뇌피질두께 [ 그림 46] 상위그룹의영역별 1 차대뇌피질두께 상위그룹의 1차대뇌피질두께 ➀우측측두피질 (M=3.044, SD=0.195), ➁좌측측두피질 (M=2.922, SD=0.179), ➂우측각회 (M=2.825, SD=0.274), ➃전대상피질 (M=2.822, SD=0.303), ➄우측 BA10(M=2.756, SD=0.188), ➅좌측후두정피질 (M=2.723, SD=0.200), ➆좌측 BA10(M=2.682, SD=0.131), ➇우측전두피질 (M=2.611, SD=0.122),➈좌측전전두피질 (M=2.611, SD=0.131), ➉좌측전두피질 (M=2.563, SD=0.100) 순의대뇌피질두께를나타내었다. 상위그룹은한학기를마치는동안전측대상회 (Ant_cingulate) 와우측각회 (RT_angular) 의피질감소가두드러졌으며, 반면에브로드만영역 10 번좌측피질 의약간의증가 (0.005) 가두드러진점이다

100 [ 그림 47] 상위그룹의영역별 2 차대뇌피질두께 상위그룹의 2차대뇌피질두께 ➀우측측두피질 (M=2.951, SD=0.159), ➁좌측측두피질 (M=2.791, SD=0.162), ➂우측 BA10(M=2.709, SD=0.153), ➃우측각회 (M=2.695, SD=0.182), ➄좌측 BA10(M=2.687, SD=0.141), ➅좌측후두정피질 (M=2.620, SD=0.124), ➆우측전두피질 (M=2.562, SD=0.112), ➇좌측전두피질 (M=2.518, SD=0.077), ➈좌측전전두피질 (M=2.497, SD=0.155), ➉전대상피질 (M=2.182, SD=0.302) 순으로대뇌피질두께의변화를보였다

101 7.2. 대뇌의각영역별변화정도 좌측후두정엽과배외측전전두피질의변화 좌측후두정엽 (LT_Post parietal) 의피질변화는영재그룹 (M=-0.100, SD=0.097), 상위그룹 (M=-0.103, SD=0.126) 이며, 배외측전전두피질 (Dorsal lateral prefrontal cortex) 의변화는영재그룹 (M=-0.061, SD=0.129), 상위그룹 (M=-0.115, 0.152) 로두그룹모두감소한중에도상위그룹의감소정도가더크게나타났다. [ 그림 48] 좌측후두정피질과배외측전전두피질

102 전측대상회 (Ant_ cingulate) 와좌측각회의 (RT_Angular) 피질의변화 [ 그림 49] 전측대상회 (Ant_ cingulate) 와우측각회 (RT_Angular) 두그룹모두가감소한영역이지만상위그룹 (M=-0.64, SD=0.347) 의전측대상회감소가영재그룹의전측대상회의감소 (M=-0.098, SD=0.352) 보다눈에뛰게감소했으며, 우측각회또한상위군의감소 (M=-0.130,SD=0.267) 폭이영재그룹의감소폭 (M=-0.053, SD=0.234) 보다크다는것을볼수있다

103 측두엽의대뇌피질의변화 이영역또한두그룹모두감소를보였지만특히상위그룹에서좌측측두엽의감소 (M=-0.137, SD=0.199) 가영재그룹 (M=-0.044, SD=0.227) 의감소보다두드러지며, 우측측두엽 (M=-0.108, SD=0.132) 또한영재그룹의감소 (M=-0.027, SD=0.122) 보다현저하게감소폭이크다는것을알수있다. [ 그림 50] 좌 우측두엽의대뇌피질의변화정도

104 좌 우중전두엽영역 ( 브로드만영역 10 번 ) 의대뇌피질의변화 좌측중전두엽영역은영재그룹 (M=-0.005, SD=0.115) 과상위그룹 (M=-0.005, SD=0.124) 모두감소폭이거의같은반면우측중전두엽영역은영재그룹이 (M= 0.013, SD=0.115) 인반면상위그룹은 (M= 0.047, SD=0.144) 로다소큰폭의감소를보이고있다. [ 그림 51] 좌 우중전두엽영역 ( 브로드만영역 10 번 )

105 좌 우전두엽영역 (Frontal lobe area) 의대뇌피질의변화 좌측전두엽영역은영재그룹 (M=-0.026, SD=0.110) 과상위그룹 (M=-0.045, SD=0.101) 이모두감소를나타냈으며, 우측전두엽영역에서도상위그룹 (M=-0.049, SD=0.125) 은다소큰감소를나타낸반면우측전두엽영역에서의영재그룹 (M=0.007, SD=0.125) 은증가됨을나타내고있다. 이영역이본연구에서두드러지는점이다. [ 그림 52] 좌 우전두엽영역 (Frontal lobe area)

106 7.3. 대뇌피질과 K-TCPI( 창의성격검사 ) 의하위영역 ( 예술재능 ) 간의상관성분석 인지검사결과창의성격검사 (K-TCPI) 의하위영역중그룹간유의한차이를 나타낸예술재능 (t=2.44, p<0.05) 과대뇌피질과의상관성을분석한결과이다. 화살표의영역은좌측중전두엽영역 (BA10), 전측대상회이다. 이것은대뇌피질두께변화 ( 중전두엽영역, 전측대상회 ) 에예술재능과의관련성을나타내고있다. 예술재능은심상능력과창의적사고를요구한다. Gonzalez, Campos, & Perez(1997) 은심상과창의적활동이우측전두엽과측두엽의에너지를높인다고제시하고있다. 이러한결과는심상능력이우수한학생은창의성도우수할것이라고추론할수있다. 따라서본연구의대뇌피질과의상관성에서는예술재능이좌측중전두피질과전측대상회영역에상관성을나타내고있다. 즉, 3.2.3의전두엽영역에서제시한내용에서알수있듯이좌측중전두회 (Middle Frontal_G_L) 의목표지향적행동의표상과고등사고및추론에대한기능그리고정서와인지를결합시키는기능을하는전측대상회영역을예술재능의심상과창의적사고의관련성으로짐작할수있다. [ 그림 53] 대뇌피질과 K-TCPI( 창의성격검사 ) 의하위영역 ( 예술재능 ) 간의상관성