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Research

촉각으로 왼손잡이와 오른손잡이를 구분하는 실마리 발견

  • 조회. 242
  • 등록일. 2020.08.26
  • 작성자. 전체관리자

DGIST 안진웅 책임연구원팀, '촉각'에 따라 활성화되는 뇌 부위 관찰에 성공
촉각을 이용한 손잡이 정량적 구별, 뉴로 햅틱스, 및 BCI기반 증강 현실 연구 등 다양한 적용 기대돼

 

관련사진 DGIST 지능형로봇연구부 안진웅 책임연구원(좌측), 진상현 전임연구원(우측)

 

  DGIST 지능형로봇연구부 안진웅 책임연구원팀은 왼손과 오른손에 수동적으로 전달되는 촉각을 인지하는 뇌의 부위가 서로 다른 것을 관찰하는데 성공했다. 이번 연구결과는 증강현실에서 많이 사용되는 촉감제시장치의 정량적 평가에 응용하거나 새로운 뉴로 햅틱스(뇌의 회로 및 네트워크 관점에서 햅틱스를 연구하는 과학기술) 분야의 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.

 세계 인구의 약10%만이 왼손잡이로 추정된다. 이를 구분할 수 있는 방법으로는 ‘에딘버러 손잡이 평가법(Edinburgh Handedness Inventory, EHI)’처럼 주관적인 설문으로 구성된 정성적인 평가법이 대표적인 방법이다. 따라서 연구팀은 왼손잡이와 오른손잡이를 객관적으로 구분·관찰할 수 있는 실마리를 모색하고자 연구를 진행했다.

 연구팀은 가만히 있는 손가락에 전달되는 촉각을 느끼는 ‘수동적 촉각(Passive Vibrotactile Perception)’을 활용해, 양손의 손가락이 자극을 받을 때 뇌 신호를 관찰해 왼손과 오른손을 사용할 때 나타나는 차이점을 객관적으로 관찰하는데 성공했다.

 먼저 연구팀은 31명의 오른손잡이로 추정되는 피험자들 양손의 집게손가락에 각각 매우 빠른 진동을 짧게(2초) 여러 번(10회) 주고, 뇌에서 활성화되는 부위를 촬영하는 실험을 진행했다. 그 결과, 오른손 집게손가락에 자극을 주자 좌뇌가 주로 활성화됐지만, 왼손 집게손가락에 자극을 주자 좌뇌와 우뇌에 걸쳐 넓고 고른 활성화가 나타났다.

 이번 연구는 왼손과 오른손에 주는 자극에 따라 뇌에서 활성화 되는 영역을 구분하고 그 정도를 객관적으로 구분했다는 것에 의미가 깊다. 여기에 과거에 연구팀이 진행했던 기존 연구결과를 함께 고려할 때, 왼손잡이와 오른손잡이를 뇌 신호에 따라 객관적으로 구분하는 것도 가능할 것으로 예측된다. 또한 향후 BCI(Brain Computer Interface, 뇌-컴퓨터 인터페이스) 기술 적용, 인지능력 증강 치료가 필요한 질병치료에서의 활용 등 다양한 산업에서의 활용도 함께 기대된다.

 DGIST 지능로봇연구부 안진웅 책임연구원은 “이번 연구 결과가 BCI 기술을 햅틱기술에 접목해 증강현실 분야에서 활용이 가능하다”며 “뇌를 모방한 인공 지능 개발의 기초 원리를 제공하는데 큰 도움을 줄 것으로 기대된다”고 말했다.

 한편, 이번 연구는 정보통신기획평가원(IITP)과 한국연구재단(NRF), 그리고 DGIST 기관고유사업의 지원으로 진행됐다. 연구 결과는 국제학술지인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 온라인판에 8월 7일(금) 게재됐다.

 

 

   연구결과개요 

 

Hemispheric asymmetry in hand preference of right-handers for passive vibrotactile perception: An fNIRS study
Sang Hyeon Jin, Seung Hyun Lee, Seung Tae Yang, Jinung An
(Scientific Reports, Online published on 7th August, 2020)

 

수동 촉각에 대한 지각(perception)에 대한 연구는 능동 촉각에 비해 잘 알려져 있지 않다. 특히 손잡이(handedness)의 대뇌 지각 특이성을 수동 촉각만을 이용해 밝히려는 시도는 전혀 없었다. 이를 위해 본 연구는 수동 촉각으로 빠르고 강한 진동을 오른손잡이의 왼손과 오른손에 각각 자극했을 때 대뇌혈류대사를 비교했다. 실험 결과, 수동 촉각 자극에 대해 왼손이 오른손에 비해 대뇌 좌우 반구의 대칭성이 발현되었으며, 이는 다른 손 운동 또는 조작 등의 연구에서도 동일하게 밝혀진 견해를 지지하고 있다. 이번 연구는 손의 선호도(preference)에 따른 수동 촉각 자극에 대한 대뇌 피질 반구의 비대칭성을(asymmetry)을 세계 최초로 제시하고 있으며, 수동 촉각만으로도 대뇌의 감각운동 네트워크를 상당히 강화하는 데 기여할 수 있음을 시사한다.

DOI10.1038/s41598-020-70496-y

 

   연구성과문답 
 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

단순히 수동촉각만으로도 왼손잡이와 오른손잡이를 뇌신호로 구별할 수 있는 가능성을 세계 최초로 제시함. 31명의 오른손잡이로 추정되는 피험자들의 손가락에 매우 빠른 진동을 짧게(2초) 여러 번(10회) 주는 수동적 촉각만으로도 왼손이 오른손에 비해 좌우반구 비대칭성이 적다는 것을 밝힘으로써 단순한 수동적 촉각만으로도 왼손잡이와 오른손잡이의 대뇌의 기능적 차이를 구별할 수 있음을 예측함.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

손잡이를 객관적으로 평가할 수 있는 데 당장 적용이 가능하며, 미래기술로 각광받고 있는 증강현실에서 필수적인 촉감제시장치를 뇌신호와 연결한 BCI(뇌-컴퓨터 인터페이스) 기술에도 적용이 예상됨. 특히, 경도인지장애, 자폐 등 인지 증강 치료에도 활용 가능성이 매우 높을 것으로 기대되며 이번 연구 결과가 BCI기술을 햅틱기술에 접목해 증강현실 분야에서 활용이 당장 가능하고, 최근 뇌를 모방한 인공 지능 개발의 기초 원리를 제공하는 데  큰 도움을 줄 것으로 기대됨.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?

촉감제시장치의 뇌신호 관점에서의 정량적 성능 평가, 손잡이의 평가 등에 1년 이내에 상용화 가능. 뉴로햅틱스 기반 증강현실은 기술개발 후 3년 이내 상용화 가능.

Q. 실용화를 위한 과제는?

집단 실험, 복잡 과제 기반 실험 및 입체적인 뇌신호 해석 연구가 추가적으로 요구되며, 중개 임상 연구 등이 요구됨.

Q. 연구를 시작한 계기는?

본 연구는 2013년에 제안한 바 있는 뉴로햅틱스에 대한 보다 근원적인 연구로 수많은 상용화된 햅틱제시장치들에 대한 정량적 성능 평가 방법이 지금까지 없는 상황에서 뇌 관점에서 햅틱제시장치들의 성능을 객관적으로 평가할 수 있는 방법에 대한 고민에서 출발함. 저자가 작년에 동 학술지에 출판한 바 있는 “인간의 손 운동 솜씨에 대한 대뇌피질의 대측성”이 오른손과 왼손에서 다르게 발현된다는 사실에 근거해 연구진은 먼저 수동촉각에 대해서도 이와 동일한 결과가 관측될 수 있다는 가설을 세우고 연구를 시작함.

Q. 어떤 의미가 있는가?

기존의 햅틱스 연구가 주로 말초신경계 중심의 연구였으나, 본 연구를 계기로 중추신경계 중심의 연구로 패러다임의 전환의 단초가 되길 기대함.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

이번 연구 결과를 더욱 심화시켜 인지 증강을 위한 딥러닝 기반 뉴로햅틱스 BCI 개발 및 신경조절 치료 기법 개발을 이루고 싶음.

 

 

   그림 설명 

[그림1] 수동 촉각 자극에 따른 왼손과 오른손의 대뇌대사활성의 비대칭성을 보여주는 뇌 신호 활성화 사진


 
(그림설명)
(상단좌측)동일한 수동촉각 자극에 대해 왼손은 좌우 반구 대칭성이 높아 뇌 활성화 단면이 넓은 반면, (상단 우측)오른손은 감각운동피질의 대뇌 좌우 반구 대칭성이 낮아 뇌 활성화 단면이 좁다.
(※사진 저작권: Scientific Reports)

 
 
[그림2] 수동 촉각 자극에 따른 왼손과 오른손의 대뇌대사활성의 비대칭성을 보여주는 편측성 지표

 
(그림설명)
(상단) 왼손 수동 촉각 반응 결과로, 주요 관심 뇌영역인 감각연합피질(SA: Sensory Association), 제1차감각피질(S1: Primary Sensory Cortex), 제1운동피질(M1: Primary Motor Cortex)에서 편측도가 대부분 –0.2~0.2로 대뇌 좌우반구 대칭성을 보임. 특히, 손가락 촉각과 깊이 관련된 하측 제1차감각피질 (Inferior S1)의 좌우반구 대칭성이 매우 큼을 관측함.

(하단) 오른손 수동 촉각 반응 결과로, 주요 관심 뇌영역들에서 편측도가 대부분 ±0.2를 벗어나 있으며, 손가락 촉각과 깊이 관련된 하측 제1차감각피질 (Inferior S1)에서 왼쪽으로 치우쳐 있음을 관측함.
(※사진 저작권: Scientific Reports)
 
 
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