전 세계적으로 이중 언어 습득은 의사소통의 범위를 넓히고 사회적 활동 영역을 확장시켜 개인 및 국가의 경쟁력을 강화시키기 위한 필수 요소로 인식되고 있다. 세계 인구의 66%가 이중 언어화자(bilingual) 또는 다중 언어화자(multilingual)이며, 특히 유럽에서는 54%가 2개 이상의 언어를 구사한다고 알려져 있다(1). 국내에서도 이중 언어 습득에 대한 관심도가 나날이 증가하고 있으며, 특히 뇌신경 발달 단계 중 언어 영역의 발달 잠재력이 가장 높은 시기가 7~10세 혹은 그 이전이라는 “결정적 시기론”에 대한 개념(2, 3)이 사회 전반에 확산되면서 조기 영어 교육에 대한 관심 또한 높아지는 추세이다. 그러나 제2언어(영어) 습득이 어떠한 대뇌 신경 활성화 과정을 거쳐 일어나는지, 영어교육 시점이 대뇌 발달 및 활성화에 어떠한 영향을 미치는지 등, 제2언어 습득과 관련된 신경해부학적 기전에 관한 연구는 현재까지도 충분히 이뤄지고 있지 않으며 연구자 간에도 다양한 쟁점들이 존재한다.

뇌와 언어의 관계를 규명하고자 하는 인지신경과학자(cognitive neuroscientist)들의 이중 언어습득(bilingualism and biliteracy)에 대한 근본적인 쟁점 중 하나는 “모국어와 외국어의 처리 과정이 뇌의 동일한 영역(overlapped region)에서 발생하는가, 그렇지 않으면 분리된 영역(separated region)에서 발생하는가?”이다. 이 담론에 관한 연구는 기능적 신경영상기술(functional neuroimaging technique)의 발전에 힘입어 인지신경과학자들의 주된 관심으로 대두되고 있다. 현재 기능적 신경영상기술에 가장 대표적으로 활용되는 영상기법은 기능적 자기공명영상(functional MRI; 이하 fMRI)으로, 이는 뇌가 활성화될 때 혈류 내의 산소 용존량이 증가된다는 개념을 바탕으로 산소량의 변화에 따른 자기공명 신호의 크기 변화를 측정하여 뇌의 어떠한 부분이 활성화되어 있는지를 찾아내는 기법이다(4). 인지신경과학자들은 이 기법을 이용하여 이중 언어 습득자의 대뇌 활성영역의 반응을 실시간으로 관찰하고, 그 활성반응 정도를 정성적, 정량적으로 계산할 수 있게 되었으며, 이에 따라 모국어와 이중 언어 사용 시 또는 이중 언어 습득 전과 후의 변화들의 통계적인 비교 분석이 가능하게 되었다. fMRI를 이용한 최근의 연구결과들은 연구자에 따라 모국어와 제2언어 습득을 위한 뇌 영역의 구조적 차이가 없다는 결론을 제시하기도 하고(5, 6, 7, 8), 이와는 상반되게 제2언어의 숙련도, 습득시기, 노출 정도에 따라 제1언어와 제2언어 간에 뇌의 활성화 영역이 상이함을 보여준다는 결과를 발표하는 등(9, 10, 11, 12) 제2언어 정보처리와 관련된 뇌신경영상에 대한 연구는 아직 초기 단계에 머물러 있다. 또한 지금까지의 연구들은 대부분 English as a second language 언어 환경의 학습자들을 대상으로 한 것으로, 이는 영어를 구사하는 나라에서 생활하나 영어가 모국어가 아닌 학습자들을 말하며, 이들은 생활 속에서 영어에 쉽게 노출되는 환경에 놓여 있다. 그러나 한국과 같은 English as a foreign language (이하 EFL) 환경의 학습자에게 기존의 연구 결과를 그대로 적용시키기에는 어려움이 있으며, 국내에서 진행된 fMRI를 이용한 다중언어 습득자의 신경기전 연구는 드물고 제한적이다. 특히 기존의 연구들은 성인을 대상으로 언어 발화(language production)와 이해(comprehension) 과제를 음운(phonological), 어휘(lexical), 의미(semantic), 형태/통사(morphosyntactic) 영역으로 각각 분리하여 과제를 수행케 한 후 그 결과를 제시하여 왔으며, 영어를 제2언어로 습득하는 아동을 대상으로 언어이해 및 발화를 분리하지 않고 전체적인 언어활동을 측정하여, 한국어와 영어의 이해 및 발화 과정에서 일어나는 신경 활성의 차이를 비교한 신경영상 연구는 현재까지 보고되어 있지 않다.

따라서 본 연구는 fMRI를 이용하여 EFL 언어 환경에서 제2언어(영어) 습득 초기 단계에 해당하는 한국어-영어 이중 언어 학습 아동이 모국어와 제2언어(영어)의 전체적인 언어활동을 처리하는 과정 중에 일어나는 대뇌의 신경 활성 영역과 활성 정도의 차이를 비교 분석하여, 제2언어(영어)습득과 연관된 대뇌의 활성화 기전을 알아보고자 하였다.

실험 참가자 20명 모두에서 성공적인 활성화 영상을 얻을 수 있었으며, 전두엽(frontal lobe), 측두엽(temporal lobe), 두정엽(parietal lobe)의 여러 부위에서 통계적으로 유의한 활성화 신호가 나타났다.

그룹별 분석

하 난이도 과제

하 난이도의 영어 과제를 수행할 때 영어구사능력이 높은 군에서는 제2언어 처리에 관여하는 것으로 알려진 중전두회(middle frontal gyrus), 보조운동영역(supplementary motor area), 중심전회(precentral gyrus), 하측두회(inferior temporal gyrus), 방추회(fusiform gyrus), 상두정소엽(superior parietal lobule), 하두정소엽(inferior parietal lobule), 소뇌피질(cerebellar cortex) 등에서 대뇌 활성화가 나타났다. 동일 과제에서 영어구사능력이 낮은 군에서는 더 많은 영역에서 대뇌 활성화가 나타났는데, 중전두회, 하전두회(inferior frontal gyrus), 보조운동영역, 중심전회, 중측두회(middle temporal gyrus), 하측두회, 방추회, 상두정소엽, 하두정소엽, 담창구(globus pallidus), 피각(putamen), 시상(thalamus), 섬엽(insula) 등의 활성화가 관찰되었다.

하 난이도의 한국어 과제에서는 영어구사능력에 관계없이 대뇌 활성화를 보이는 영역이 적게 나타났다. 주로 시각 정보처리와 관계된 후두엽(occipital lobe)의 활성화를 보였다(Fig. 2).

Fig. 2
Brain activation map for a direct comparison between the high learning level group (A, C) and the low learning level group (B, D) in the English (A, B) and Korean (C, D) tasks with a low level of difficulty.

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중 난이도 과제

중 난이도의 영어 과제에서 영어구사능력이 높은 군에서는 중심전회, 중심후회(postcentral gyrus) 등에서 활성화를 보였고, 영어구사능력이 낮은 군에서는 중전두회, 하전두회, 보조운동영역, 중심전회, 상측두회(superior temporal gyrus), 중측두회, 하측두회, 방추회, 상두정소엽, 하두정소엽, 담창구, 피각, 미상핵(caudate nucleus), 시상, 섬엽 등에서 활성화를 보였다.

중 난이도의 한국어 과제에서도 영어구사능력에 관계없이 대뇌 활성화를 보이는 영역이 적게 나타났으며 공통적으로 하전두회에서 활성화를 보였다(Fig. 3).

Fig. 3
Brain activation map for a direct comparison between the high learning level group (A, C) and the low learning level group (B, D) in the English (A, B) and Korean (C, D) tasks with an intermediate level of difficulty.

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상 난이도 과제

상 난이도의 영어 과제에서, 영어구사능력이 높은 군에서는 중전두회, 하전두회, 방추회 등에서 활성화를 보이고, 영어구사능력이 낮은 군에서는 하전두회, 상측두회, 담창구, 피각, 시상, 섬엽 등에서 활성화가 나타났다.

상 난이도의 한국어 과제에서도 영어구사능력에 관계없이 활성화를 보이는 영역이 적게 나타났으며 공통적으로 하전두회의 활성화가 관찰되었다(Fig. 4).

Fig. 4
Brain activation map for a direct comparison between the high learning level group (A, C) and the low learning level group (B, D) in the English (A, B) and Korean (C, D) tasks with a high level of difficulty.

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그룹 간 분석

언어별 분석

영어 과제를 수행할 때 한국어 과제보다 대뇌 활성화가 더 많은 영역에서 높게 나타났으며, 등외측 전전두엽(dorsolateral prefrontal cortex), Broca 영역을 포함한 좌측 전두엽, 좌측 두정측두엽, 우측 보조운동영역, 좌측 중심전회, 좌측 기저핵(basal ganglia) 등에서 활성화가 두드러졌다(Fig. 5, Table 3). 한국어 과제 수행 시 영어 과제보다 더 우월한 대뇌 활성화를 보인 영역은 없었다.

Fig. 5
Predominant cortical activation areas associated with English comprehension compared to that with Korean comprehension.

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Table 3
Brain Regions with Predominant Activity during English Comprehension Compared to that during Korean Comprehension

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영어구사능력별 분석

영어 과제 수행 시 영어구사능력의 차이에 따라서 활성화 정도가 현저한 차이를 보였다. 즉 영어구사능력이 높은 군에 비해 영어구사능력이 낮은 군에서 대뇌 활성화 정도가 훨씬 높게 나타났다. 하 난이도의 영어 과제에서, 영어구사능력이 낮은 군에서 높은 군보다 우측 중전두회와 좌측 중측두회에서 활성화가 높게 나타났으며, 중 난이도의 영어 과제에서 영어구사능력이 낮은 군이 높은 군보다 우측 보조운동영역, 좌측 하전두회, 좌측 상측두회, 좌측 중측두회, 우측 두정엽 등에서 활성이 높게 나타났다(Fig. 6, Table 4). 영어구사능력이 높은 군에서 낮은 군보다 더 활성이 높게 나타난 영역은 없었다.

Fig. 6
Brain areas of greater activation in the low learning level group compared to that in the high learning level group for the English passage comprehension tasks with low (A) and intermediate (B) levels of difficulty.
RAO = right anterior oblique

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Table 4
Brain Regions with Predominant Activity in the Low LL Group Compared to that in the High LL Group during the English Passage Comprehension Task with Low and Intermediate Levels of Difficulty

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과제의 난이도별 분석

과제의 난이도 차이에 따라서도 활성화 정도 차이가 발생하였는데, 하 난이도의 영어 과제보다 중 난이도의 영어 과제에서 대뇌 활성화 정도가 훨씬 높게 나타났으나, 오히려 상 난이도의 영어 과제에서는 영어구사능력에 관계없이 대뇌 활성화 신호가 약하게 발생하였다. 중 난이도의 영어 과제에서 하 난이도의 영어 과제보다 활성화가 더 높게 나타난 영역은 우측 하전두회, 우측 두정측두엽, 피각, 섬엽 등이었다(Fig. 7, Table 5).

Fig. 7
Brain areas of greater activation during the English task with an intermediate level of difficulty compared to that with a low level of difficulty.

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Table 5
Brain Regions with Predominant Activity during the English Comprehension Task with an Intermediate Level of Difficulty Compared to that with a Low Level of Difficulty

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이 연구에서 저자들은 언어처리 과정에 있어서 모국어와 제2언어의 차이점을 비교하고자 하였다. 또한 영어구사능력을 기준으로 높은 군과 낮은 군 간에 대뇌 활성화의 차이를 알아보고, 과제 난이도에 따라서 어떤 활성화 양상의 차이를 보이는지 알아보고자 하였다.

영어 과제 수행 시 한국어 과제보다 등외측 전전두엽, 보조운동영역, 중심전회, 좌측 기저핵, 좌측 두정측두엽 및 후두엽 등에서 전반적으로 더 많은 활성화를 보였다. 등외측 전전두엽은 전반적인 집행기능, 언어전환, 언어억제 기전에 관여하는 것으로 알려져 있다(7, 8, 15, 16). 따라서, 초기 제2언어 습득자의 경우 제2언어의 동원에 있어서 제1언어(모국어)의 통제가 불가피하며, 이와 관련된 영역의 활성화가 나타나는 것으로 생각해 볼 수 있다. 보조운동영역과 중심전회는 전운동영역(premotor area)으로, 음운 및 음성으로서의 언어 산출 단계와 복잡한 조음과정에 관여하는 것으로 생각된다(17, 18). 제2언어의 생성은 모국어에 비해 자동화가 이루어지지 않아 구음 및 조음 과정에 위와 같은 영역들이 먼저 활성화가 일어나는 것으로 생각해볼 수 있다. 좌측 기저핵에 활성화가 증가된 것은 제2언어 어휘를 선택함에 있어 제1언어의 간섭을 억제하기 위한 것으로 생각되며(15), 그 외 구음 및 조음과정의 조정에도 관여하는 것으로 생각된다(18, 19). 좌측 두정측두엽은 전반적인 언어적 기능에 관계된다고 생각되며(20, 21), 후두엽 및 방추회는 어휘와 관련된 형태와 의미 정보를 처리하여, 시각적으로 제시된 정보를 음운 형태로 전환시키는 역할을 한다고 알려져 있다(22). 이와 같이 제2언어를 사용할 때 초기 습득자의 뇌에서는 모국어의 전통적인 언어처리영역보다 좀 더 광범위한 영역에서 활성화가 일어나게 되는데, 이는 언어처리 과정에서 부족한 언어지식을 보완하기 위해 언어중추 외 다른 기능들이 개입되는 것으로 해석할 수 있겠다.

우리 연구에서는 제2언어(영어) 구사능력 차이에 따른 대뇌 활성화 정도도 의미 있는 차이를 보였다. 언어구사능력이 높을수록 대뇌 활성화 영역은 감소하는 경향을 보였으며, 특히 전전두엽 피질의 활성이 감소하는 소견을 보였다. 이 영역은 의도적으로 주의 집중을 요하거나 판단을 요구하는 인지과정에 관여하는 영역으로, 따라서 언어 유창성이 높아질수록 언어 통제기전이 좀 더 효율적으로 일어나게 됨을 의미하는 것으로 생각된다(14, 23, 24). 유창성이 낮은 군에서는 전반적으로 전두측두엽 피질에서 활성이 더 많이 나타나며, 이와 같은 차이는 앞선 제2언어와 모국어의 비교에서와 마찬가지로 인지 통제 기능, 언어 유창성 및 운동제어 능력의 차이에 기인한 것으로 볼 수 있겠다(24, 25). 중 난이도 및 하 난이도의 영어 과제 모두에서 공통적으로 차이를 보였던 좌측 후방 중측두회는 의미 추출 및 이해와 관계된 영역으로(26, 27), 영어구사능력이 낮은 군에서 과제 난이도와 관계없이 이 부위에 활성이 더 많이 나타난 것은 제2언어의 의미 파악 및 이해에 상대적으로 신경자원 요구도가 더 높기 때문으로 추측된다.

우리 연구에서, 과제의 난이도 차이에 따라서도 뇌의 활성화 정도 차이가 발생하였는데, 하 난이도의 영어 과제보다 중 난이도의 영어 과제에서 대뇌 활성화 정도가 더 높게 나타난 영역으로는 우측 하전두회, 우측 두정측두엽, 우측 피각, 우측 섬엽 등이 있었다. 특이한 점은 차이를 보인 영역들 모두에서 우뇌의 활성화가 두드러졌다는 것인데, 이는 좌뇌가 대부분 언어적 기능을 대표하는 것은 명백한 사실이지만, 우뇌도 구문 복잡성에 상당히 관여하기 때문인 것으로 생각된다(22, 28). 그러므로 난이도가 더 높은 과제에서 대뇌 활성화 정도가 우뇌에서 높았다는 점은 대뇌 언어처리 영역이 좌뇌에 고정되어 있다기보다 과제 난이도에 따라 우뇌의 여러 영역들이 가변적으로 인지과정에 관여하게 되는 것이라 해석할 수 있겠다.

본 연구에서 상 난이도의 영어 과제 수행 시 오히려 대뇌 활성화 정도가 영어구사능력과 관계없이 현저히 감소하였는데 이는 기존의 연구 결과(29, 30, 31, 32)나, 우리 연구의 하 난이도와 중 난이도 영어 과제를 비교한 결과와도 일치하지 않는다. 그러나 본 연구 참가자들이 EFL 환경의 초기 습득자수준의 제2언어 구사능력을 가진 아동임을 고려하였을 때 낮은 활성화를 보였던 원인은 참가자들의 문제 이해 수준이 낮음으로 인하여 발생한 것으로 생각해볼 수 있겠다. 그러므로 대뇌 활성화 정도는 과제 난이도뿐 아니라 참가자들의 과제 이해도 또한 밀접하게 연관이 되는 것으로 생각된다. 그러므로 낮은 대뇌 활성화를 보였을 때, 이는 항상 과제가 참가자들에게 쉬웠음을 의미하는 것이 아니라, 오히려 참가자들이 요구되는 과제 수준에 도달하지 못했음을 의미할 수도 있다. 이는 Hasegawa 등(33)의 연구와도 일치하는 결과이다.

fMRI에서 관찰되는 대뇌 활성화 정도가 뇌 용적, 회백질 두께, 백질 섬유의 연결성 및 통합성 등의 구조적 변화에 미치는 영향과 관련된 많은 연구가 진행되어 왔다. Brodtmann 등(34)은 뇌일부분의 활성화가 전반적인 뇌 용적 증가와 연관이 있다고 하였으며, Maguire 등(35)은 뇌의 특정영역에 해당하는 기능의 수행을 통해 그 부위의 국소적인 회백질 용적을 증가시킬 수 있음을 보고하였다. 또한 이러한 뇌 용적의 증가는 상대적으로 높은 지능지수 및 집행 기능을 포함한 다양한 인지 기능의 향상과도 관련되어 있다고 보고되고 있다(36, 37, 38, 39). 따라서 뇌의 가소성이 가장 높은 시기의 아동에게 뇌의 활성화를 최대로 이끌어낼 수 있는 적정 수준의 제2언어(영어) 학습은 뇌의 전반적인 용적 증가 및 지능 향상에 긍정적인 영향을 줄 수 있을 것으로 생각해볼 수 있다. 또한 좀 더 넓은 관점에서, 뇌 용적 감소를 보일 수 있다고 알려져 있는 간질(40), 주의력결핍 과다행동장애(41, 42), 폐쇄성 수면 무호흡증(43), 품행장애(44) 등의 질환을 앓고 있는 환아에서 뇌 용적 보존 및 인지 기능의 저하 예방, 또는 외상이나 뇌 허혈 등으로 인해 다양한 정도의 뇌 기능 저하를 겪고있는 환아들의 재활의 수단으로 적정 수준의 제2언어(영어) 학습이 가질 수 있는 임상적 유용성이 있을 것으로 기대되며, 이에 대해서도 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.

이 연구의 제한점으로는 먼저 3D T1WI를 얻어 영상 후처리에 사용하지 않았다는 점, 그룹별 분석 및 그룹 간 비교에서 다중비교분석(multiple comparison)을 사용하지 않았다는 점, 영어 학습 수준에 대한 평가가 정밀하게 시행되지 않았다는 점, 소아를 대상으로 한 연구로 행동 통제 및 과제 수행이 정확하게 이루어지지 않았을 가능성이 있다는 점, 또한 과제 수행 결과에 대한 평가가 동시에 이루어지지 않은 점이 있다. 이에 대해서는 앞으로도 많은 연구와 보완이 필요할 것으로 생각된다.

결론적으로, EFL 언어 환경에서 제2언어(영어) 습득 초기 단계에 해당하는 한국어-영어 이중 언어 학습 아동에서 fMRI를 이용하여 제1언어(한국어)와 제2언어(영어)의 정보처리 과정 중에 일어나는 대뇌의 신경 활성 반응을 분석한 결과, 한국어와 영어 구사에 관련된 대뇌 활성화 영역 및 활성화 정도는 서로 다른 양상을 보임을 알 수 있었다. 한국어에 비해 영어 과제 정보처리를 수행할 때, 영어구사능력이 상대적으로 낮은 아동에서, 그리고 저 난이도보다 중등도 난이도의 과제를 수행할 때 대뇌 활성화 정도가 훨씬 높게 나타남을 알 수 있었다. 그러나 실험 참가자의 이해도를 초과하는 고 난이도의 영어 과제를 수행할 때는 오히려 대뇌 활성화도가 낮게 나타남으로써 언어 이해도에 따른 적절한 수준의 제2언어 학습이 중요함을 알 수 있었다. 또한 적절한 수준의 제2언어 학습을 통한 대뇌 활성화 증가는 뇌 용적 증가와 이로 인한 인지 기능 향상에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각되며, 향후 뇌 용적 감소와 관련된 질환을 앓고 있는 환아들의 뇌 기능 저하 예방 혹은 기능 회복을 위한 재활 수단으로서 영어 학습이 가질 수 있는 임상적 유용성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.