I. 서 론
청신경 신호처리 분석 수준의 발달은 청각기관의 비선형적 반응을 심리음향학적으로 살펴볼 수 있도록 여러 발전에 기여해 왔다. 이러한 흐름 속에 청각기관의 시간적 정보처리에 대한 청각학적 연구의 중요성이 강조되고 있다.
시간적 청각정보처리는 청각기관이 소리의 시간적 특성을 인지 할 수 있도록 처리하는 청각적 능력 중의 하나이다. 이러한 능력을 측정할 수 있는 방법으로 temporal -masking, -ordering, -sequencing, -integration, -summation, -resolution 또는 -discrimination 등 그 종류가 다양하다. 이 중에서 시간적 해상도는 정해진 시간 내에서 시간축상 구조의 변화를 탐지하는 능력을 의미하며, 이를 측정할 수 있는 방법으로 modulation detection gap, gap discrimination, Gap Detection Threshold (GDT) 등이 대표적이다.[1]
GDT란 두 개의 연속된 자극음 사이에 연결되지 않은 시간적 간극(temporal gap)을 탐지하는 역치를 뜻한다. 심리음향적 측정방법으로 자극음 제시 조건에 따라 두 가지 방식으로 나뉠 수 있는데, 선행음과 후행음이 동일한 주파수의 배열로 측정하는 방식인 within-channel(WC) GDT 방법과 서로 다른 주파수 배열로 측정하는 cross-channel(CC) GDT 방법이다. 이 두 가지 GDT 측정 방식은 말초에서 중추 청각기관까지 신경과학적 처리영역이 다르다고 알려져 있고, 이러한 이유에서 중추청각처리장애를 선별하고 진단하는 효율적인 평가도구로 추천되고 있다.[2,3]
시간적 청각정보처리능력을 측정하는 GDT 연구는 노화와 청각기관의 손상과의 관계 , 말소리 인식, 언어발달, 읽기능력, 범주적 인지 등과의 연관성에 대해서 꾸준히 진행되어 왔다.[4,5,6,7,8] 말소리를 청지각적으로 판단하는 데 있어 여러 매개변수들에 따라 달리 지각하게 되지만, 특히 성대의 기본주파수는 청자가 화자의 목소리 피치를 인식하는데 중요한 요소로 작용한다.[9] 음악도 마찬가지인데 악기들의 음색은 악기의 특징적인 기본주파수와 그에 대한 배음들의 스펙트럼특성이 달라 그 고유한 특징을 갖는다. 악기 연주에서 빠른 음계의 변화 또는 피치인식에는 소리의 주기성이 관여하게 되며, 이에 상응하는 음향적변수가 기본주파수이다.
선행 연구에서 자극음간의 물리적인 주파수 차이가 크더라도 피치클래스가 유사하면 그 영향이 GDT에 반영되어 순음과 다를 수 있고 시간적 청각정보처리에서 음악 자극을 독특하게 처리하는 청각기관의 비선형적 반응이 작용한다고 제안한 바 있다.[10] 이러한 이유에서 음악모드와 관련된 저주파수 순음에 대한 피치인식 및 시간적 해상도 특성을 살펴보고자 본 연구를 진행하였다.
따라서 본 논문은 음악의 기본음계 C4, C4#, C5의 피치를 결정짓는 기본주파수인 저주파수 순음 264 Hz, 373 Hz(264×21/2octave), 528 Hz(264×21 octave)를 활용하여 청각적으로 정상청력을 가진 청년층과 장년층에 대한 WC GDTs와 CC GDTs 결과를 비교분석 하였다.
II. 실험 방법
실험에 사용한 저주파수 순음 264 Hz, 373 Hz, 528 Hz 는 sampling rate 44.1 kHz, duration 500 ms, rise-fall time 0.5 ms로 하여 간극부분에서 위상관계를 일정하게 유지하여 전산 합성하였다.
Fig. 1과 같이 within-/cross-channel GDT 자극음을 각각 구성하고, gap duration은 0 ms ~ 20 ms사이는 2 ms, 20 ms ~ 50 ms사이는 5 ms, 50 ms ~ 100 ms는 10 ms 간격마다 자극 세트들을 CD로 제작하였다. 실험은 첫 번째 기준자극(1st marker)과 두 번째 비교자극(2nd marker)의 동일여부를 반응하도록 adaptive 2I/ 2AFC(two-interval/two-alternative forced-choice, 2-down and 1-up) 방법으로 실시하여 75 % 이상 반응하는 지점을 GDT로 결정하였다. 실험은 GSI 61 청력검사기와 CD플레이어를 연결하였고, 대상자는 방음부스에서 TDH 39P-Headphone을 착용하고 60 dB HL에서 좌우측 귀 각각 실시하였다.
모든 실험 과정은 한림대학교 생명윤리위원회의 승인을 받아 진행하였다. 실험대상자는 사전에 청각학적 검사(PTA_pure tone average = 20 dB HL이하, WRS_word recognition score 90 % 이상)를 실시 후 정상청력의 청년 40명(남20명, 여20명, 평균연령 22.8 ± 2.7세)과 기준 연령대의 표준역치 조정을 고려하여 정상청력의 장년 20명(남5명, 여15명, 평균연령 61.4 ± 2.1세)을 선별하여 실시하였다.
III. 실험 결과
3.1 청년층 결과
Fig. 2 청년층 WC GDTs 결과는 다음과 같다.
(1) 좌/우측 귀에 대한 GDTs는 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다()
(2) 주파수에 따른 GDTs는 평균 2 ms ~ 3 ms 범위에서 일정하게 나타났으며, 주파수별 GDTs는 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다().
Fig. 3 청년층 CC GDTs결과는 다음과 같다.
(1) GDTs는 선/후행 주파수가 각 1/2 octave, 1 octave 차이에 따라 증가하는 경향으로 나타났으며(fixed-leading:평균 2.2 ms ~ 2.3 ms, 1/2 octave:평균 5.7 ms ~ 6.0 ms, 1octave:평균 7.3 ms ~ 7.8 ms), 통계적으로 유의미한 차이를 보였다(ANOVA, ).
3.2 장년층 결과
Fig. 4 장년층 WC GDTs결과는 다음과 같다.
(1) 장년층의 좌/우측 귀에 대한 WC/CC GDTs는 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다()
(2) WC GDTs는 각 주파수별 자극 set 간 주파수가 커질수록 GDTs도 평균 2.5 ms ~ 3.8 ms로 약간 증가하는 경향을 나타내지만, 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다().
Fig. 5 장년층 CC GDTs결과는 다음과 같다.
(1) 선/후행 주파수가 차이가 증가함에 따라 GDTs 결과값(fixed-leading:평균 2.6 ms ~ 3.0 ms, 1/2 octave:평균 56.0 ms ~ 56.5 ms, 1 octave:평균 72.7 ms ~ 73.6 ms)은 급격하게 증가하는 추세를 나타냈으며, 통계적으로 유의미한 차이를 보였다(ANOVA, ).
3.3 집단 간 결과비교
(1) 집단 간 WC GDTs는 통계적인 차이를 보이지 않으며, 평균적으로 2 ms ~ 4 ms의 안정적인 값을 나타냈다.
(2) 두 집단 모두 WC GDTs는 주파수가 증가할수록 일정한 값을 갖는 경향을 보였다.
(3) 두 집단 모두 CC GDTs가 WC GDTs보다 모두 크게 증가하였으며, 특히 장년층 CC GDTs는 청년층의 결과보다 약 8배 ~ 10배 증가하는 것으로 나타났다.
(4) 선/후행 주파수 차이가 커질수록 CC GDTs는 두 집단 모두 증가하는 경향을 나타냈지만, 청년층의 경우 증가폭이 일정하게 나타난 반면, 장년층의 경우 증가폭이 둔화되는 경향을 보였다.
IV. 고 찰
본 연구의 두 집단 모두에서 나타난 WC GDTs와 CC GDTs의 결과 차이는 청각정보처리의 첫 번째 단계에서 각각 분리된 청각필터(auditory filter)에 의해 처리된다는 것을 뒷받침하며, WC/CC GDTs가 서로 다른 처리방식으로 인식된다는 것을 뜻한다. WC GDTs는 선/후행음 상의 간극에서 발생하는 동일 청각처리경로에서의 소리크기 변화에 대한 인식 효과가 반영되기 때문에 중추청각기관의 시간적 해상도 특성만을 살펴보기에 다소 제한적이란 의견이다. 반면 CC GDTs의 경우 두 개 또는 그 이상의 청각필터경로의 자극-반응 사건의 통합 또는/과 비교를 통해 인식될 수 있기 때문에 중추청각기관의 관여가 되는 메커니즘이라 할 수 있다.[11,12]
두 집단의 WC GDTs 값은 평균 2 ms ~ 4 ms로 일정하고 변동 폭이 작은 값을 나타내어 기존의 여러 연구 결과들과 동일하게 민감한 특성을 보였다. 그러나 일부 음악적 자극음이나 협대역소음를 이용한 WC GDTs 연구 결과값인 4 ms ~ 15 ms와는 큰 차이를 보였다. 특히 음악적 자극음을 이용한 Reference [10]연구에서 자극음의 피치가 증가할 수록 WC GDTs(C4 = 10 ms ~ 12 ms, C4# = 13 ms ~ 14 ms, C5 = 16 ms ~ 18 ms)가 증가하는 경향을 보인 것과는 다르다. 이는 음악적 자극음의 배음 구조에서 포함되어 있는 고주파수영역의 영향인 것으로 사료되며, 본 연구의 WC GDTs는 순음과 음악적 자극음의 시간적 청각정보처리과정을 설명함과 동시에 이러한 차이를 이해하기 위한 청각기관의 비선형성의 심리음향적 근거자료로 활용될 수 있다는 점에서 그 의의를 얻을 수 있다.
CC GDTs에서 선/후행음 주파수 차이가 클수록 GDTs가 증가하는 경향을 보였는데 이는 음악적 자극음을 사용하지 않은 기존 연구들과 마찬가지로 유사한 특성을 보였다. 그리고 청년층과 장년층의 집단 간 평균값 차이가 8배 ~ 10배 정도로 뚜렷한데, 이는 장년층의 청력에 대한 연령보정 효과를 일부 반영한다 하더라도 두 집단 사이에는 연령(노화)이 가장 큰 요인으로 작용한 것으로 사료된다. 또한 CC GDTs 선/후행 주파수 차이가 커질수록 청년층보다 장년층의 증가폭이 크고 일정 값에 수렴하는 형태를 보이는 것은 이전 연구들에서 제기하는 CC GDTs가 WC GDTs보다 노화에 따른 청각중추영역의 시간적 청각정보처리능력을 반영한다는 것에 상응한다고 보인다.
Reference [10]의 ‘피치 클래스가 유사하면 그 영향이 GDTs에 반영되어 순음과 다를 수 있고 시간적 청각정보처리에서 음악 자극을 독특하게 처리하는 청각기관의 비선형적 반응이 작용한다’고 제안한 대로 본 연구 결과에서도 볼 수 있듯이 음악적 자극음과 다른 경향이 나타났으며, 이는 음악적 자극음과 순음의 시간적 해상도에 따른 피치기전이 다를 수 있음을 입증한다. 현재까지 음악적 자극음에 대한 장년층의 연구결과가 보고된 바는 없지만 일부 연구에서 언어음과 비언어음을 이용한 Reference [13]의 CC GDTs 결과의 경향을 비교분석해 보았을 때, 음악적 자극음에 대한 장년층의 결과도 청년층과 유사한 경향을 보일 것으로 예측된다. 이 또한 장년층에서도 음악적 자극음과 순음의 시간적 해상도에 따른 피치기전이 다를 수 있음을 시사한다. 더구나 본 연구에서 사용된 저주파수 순음은 연령대에 공통적으로 잔존될 수 있는 대역임을 감안하면 모든 연령에서 시간적 청각정보처리능력을 측정하는데 의미 있는 청각평가도구로 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 이러한 심리음향적 자료들은 소리의 피치인식 메커니즘에서 GDT의 영향이 있을 수 있으며, 이에 관한 새로운 모델을 제안하는데 필요한 정보 및 심리음향적 근거자료로서 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
V. 결 론
본 연구 결과는 WC/CC GDTs 메커니즘을 밝히는데 심리음향적 근거자료로서 유용하다고 할 수 있다. 또한 저주파수 순음을 이용한 CC GDTs는 노화의 영향을 상대적으로 덜 받는 잔존청력대역으로서 순음청력검사나 어음청각검사에서 잘 나타나지 않는 노인성 난청의 시간적 청각정보처리능력을 평가하는 도구로 활용 될 수 있을 것이다. 마지막으로 음악적 자극음과 순음의 시간적 해상도에 따른 피치기전이 다를 수 있음을 시사하며, 추가적인 연구를 통해 피치인식의 기전을 해석하고 모델링하는데 기본 자료가 될 수 있을 것이다.
피치인식은 ‘달팽이관의 구조적인 음조체계에 의한 place code와 단일 청신경의 phase-locking discharge에 의한 temporal code의 상대적인 기여도에 따라 달라진다’[14]는 논쟁이 있어왔고, 이러한 청각기관의 비선형성반응을 살펴보기 위해서는 본 연구와 같은 심리음향적 실험 연구들이 지속적으로 진행되기를 기대한다.
