2023년 5월 11일 TELD 오픈 세미나: fNIRS와 MATLAB

안녕하세요 선생님들! 벌써 5월 막바지에 접어들고 있습니다. 초여름의 날씨를 즐기고 계신가요?😊 이번 블로그에서는 지난 5월 11일에 개최된 TELD 연구실의 오픈세미나에 대해 이야기해보려고 합니다. 이번 오픈 세미나에서는 이현웅 선생님께서 'fNIRS와 MATLAB'에 대해 소개를 해주셨는데요, 새로운 데이터 측정 및 분석 방법에 대해 배워볼 수 있는 유익한 시간이었습니다. 강연 내용은 fNIRS와 MATLAB의 개념 및 특징에 대한 간략한 설명과, fNIRS 데이터의 분석 과정에 대한 시연으로 이루어졌습니다.💡 Functional Near-Infrared Spectroscopy(fNIRS)은 뇌 내의 산소화 및 비산소화 혈색소의 변화를 측정하는 비침습적인 방법입니다. 이는 뇌 주변 혈관에 적외선을 쏘아 반사된 빛을 확인하는 방식으로 혈관 내 산소 헤모글로빈의 농도를 측정하는 원리를 사용합니다. fNIRS는 뇌 피질의 활성화 정도를 측정하는 데 사용되는 방법으로, 이마 근처에 있는 전두엽의 활성화를 측정하는 데 자주 사용됩니다. fNIRS의 분석을 위해서는 MATLAB이라는 프로그램을 사용합니다. MATLAB은 과학적 계산을 위한 프로그래밍 언어 및 도구이며, 이는 공학, 물리학, 신경과학을 포함한 다양한 분야에서 데이터를 분석하는 데 사용됩니다. fNIRS 분석을 위해 MATLAB에서 사용할 수 있는 패키지 중 하나는 SPM-fNIRS Toolbox입니다. 이는 오픈소스로 제공되며, fNIRS 기기 회사에서 제공하는 분석 소프트웨어보다 유연성과 사용자 정의 가능성이 더 높습니다. 이번 오픈 세미나에서의 fNIRS 데이터 분석 시연은 이 툴박스를 사용하여 이루어졌습니다.

fNIRS 데이터 분석 과정은 파일 변환, 전처리, 개별 분석 및 집단 분석 등 여러 단계를 포함합니다. 파일 변환 단계에서는 데이터가 광학적 밀도에서 혈색소 농도로 변환됩니다. 전처리에서는 심장 박동 및 호흡과 같은 잡음과 아티팩트를 제거합니다. 개별 분석에서는 뇌 매핑이 수행되며, 집단 분석에서는 통계 값이 SPM을 사용하여 뇌에 매핑됩니다. 이번 오픈세미나에서는 시간 관계상 개별 분석까지만 시연해주셨습니다. 실습 세션에서는 MATLAB을 사용하여 Stroop task 중 수집된 fNIRS 데이터를 분석하는 방법을 실제로 보여주셨습니다. 데이터를 먼저 변환하고, 전처리를 수행한 후, SPM을 사용하여 분석하였습니다. 전처리 모습의 일부 과정은 다음과 같습니다 (전처리된 결과가 붉은색):

전처리 후에는 개별분석을 위해 혈색소 농도가 측정되고, 그 다음 활성화를 매핑하기 위해 대비가 적용되었습니다. 이후 결과적으로 얻은 활성화는 p-값 조정을 거쳐 결과를 해석하였습니다. 결과적으로 3D 뇌 모형 위에 (통제 조건에 비해) 실험 조건이 활성화된 부위가 표시되었습니다!

끝으로, 교수님께서 fNIRS와 같은 신경과학 데이터를 교육학에서 활용할 수 있는 가능성에 대해 말씀을 나누어주셨습니다. 특히, 이러한 데이터를 바탕으로 앞으로 연구실이 진행할 수 있는 연구의 두 축을 제안해주셨습니다. 첫째, 학습에 대한 멀티모달 데이터를 수집함으로써 학습에 대한 모델을 형성하고, 이에 따라 학습에 대한 진단하는 한 축이 있습니다. 궁극적으로는 이를 통해 새로운 학습이론을 데이터에 기반하여 구축하고, 초개인화된 맞춤형 학습에 대해 연구를 할 수 있습니다. 둘째, 수업에 대한 데이터를 수집함으로써 수업에 대한 모델을 형성하고, 맞춤형 수업을 디자인하거나 교사가 자신의 수업에 대해 시뮬레이션 및 성찰을 해볼 수 있도록 하는 한 축이 있습니다. 이때 메타버스 또한 중요한 작용을 할 수 있습니다. 추후에 장비가 갖추어지면, 방학 때 스터디나 워크숍을 통해 fNIRS에 대해 더 자세히 탐구해볼 수 있을 것 같습니다! 앞으로 이루어질 fNIRS 장비를 활용한 데이터 수집과 분석을 기대해보겠습니다.👊👊 멀티모달 데이터의 분석 과정에 대해 꼼꼼히 소개해주신 이현웅 선생님과, 앞으로 멀티모달 데이터 활용의 가능성에 대해 비전을 제시해주신 조영환 교수님, 함께 강연에 참석하여 멀티모달 데이터의 교육적 활용에 대해 고민해주신 TELD 연구실 선생님들께 감사드립니다!!🌟 늘 연구와 과제로 바쁘시겠지만, 잠시나마 초여름의 햇살을 만끽하실 수 있길 바라겠습니다~! 교수님께서 말씀하신 것과 같이, 외롭지 않은 5월을 함께 보내보아요!!😊 다음에 곧 또 뵙겠습니다!🙌