Late maturation of semantic control promotes conceptual development

인간의 사고는 놀라울 정도로 유연합니다. 다른 동물들과 달리, 인간은 새로운 목표를 따르려는 강한 충동을 무시하고 다음 순간으로 정신적 초점을 돌릴 수 있습니다. 우리가 무엇을 생각하고 행동할지 제어하는 이 능력은 뇌 앞부분에 위치한 전전두엽 피질에 크게 의존합니다. 인간의 경우, 이 영역은 뇌의 나머지 부분보다 훨씬 느리게 발달하며, 20대까지 성숙이 계속됩니다. 오랫동안 과학자들은 이 느린 발달을 아이들이 행동을 관리할 완전한 실행 능력이 부족한, 필요하지만 불행한 지연 기간으로 보았습니다. 그러나 새로운 관점은 이러한 지연이 결함이 아니라 오히려 특징일 수 있다고 제안합니다. 엄격한 정신적 통제가 없는 시기가 세상을 이해하는 법을 배우는 데 필수적일 수 있다는 것입니다.

이 아이디어는 '의미 제어(semantic control)'라고 불리는 특정한 유형의 정신적 기술에 초점을 맞춥니다. 이는 세상에 대한 우리의 지식을 현재 상황에 적합한 방식으로 사용하는 능력입니다. 예를 들어, 피아노를 옮기고 있다면 무게와 들어 올리는 방법에 대해 생각할 것입니다. 반면 콘서트에 참석하고 있다면 소리와 연주하는 방법에 대해 생각할 것입니다. 두 생각 모두 피아노에 대한 진실이지만, 뇌는 그 순간에 적절한 것을 선택하고 다른 하나는 억제해야 합니다. 이 선택 과정이 바로 의미 제어입니다. 이것은 일반적인 의지력이나 충동을 멈추는 능력과는 구별되며, 우리가 알고 있는 수많은 의미 중 올바른 의미를 선택하는 것에 특화되어 있습니다. 연구자들이 던진 질문은 이 제어 시스템의 느린 성숙이 실제로 아이들이 세상에 대한 더 나은 지식의 토대를 구축하는 데 도움이 되는가 하는 것이었습니다.

이를 탐구하기 위해 연구진은 인간의 뇌가 개념을 학습하는 방식을 모방한 컴퓨터 모델을 구축했습니다. 그들은 감각 입력과 고차원적 사고를 담당하는 영역이 있는 뇌처럼, 서로 다른 층을 가진 시스템을 설계했습니다. 그들은 모델에게 개가 털이 있고, 짖으며, 반려동물이라는 것과 같은 객체와 그 특징들을 인식하도록 가르쳤습니다. 완전히 성숙한 시스템이라면, 모델은 개의 이름을 대거나 행동을 설명하는 것과 같이 특정 과업에 관련된 특징만을 선택하도록 강요받을 것입니다. 하지만 연구진은 이 엄격한 제어를 도입하기 전까지 기다리면 어떤 일이 일어날지 보고 싶었습니다. 그들은 모델이 규칙 없이 한동안 학습하게 하여, 과업과 상관없이 객체의 모든 특징을 한꺼번에 흡수할 수 있도록 했습니다. 그러고 나서 점진적으로 특정 정보만을 선택하도록 강제하는 규칙을 도입했습니다.

시뮬레이션 결과, 제어를 도입하기 위해 기다리는 것이 오히려 시스템의 학습을 도왔다는 것이 밝혀졌습니다. 모델이 정보를 필터링하도록 강요받기 전에 객체의 모든 특징을 함께 경험할 수 있게 하자, 모델은 그 객체가 무엇인지에 대해 더 강력하고 완전한 그림을 그려냈습니다. 이러한 깊은 이해 덕분에 모델은 나중에 선택의 규칙을 훨씬 더 빠르게 익힐 수 있었습니다. 만약 처음부터 정보를 필터링하도록 강제했다면, 과업을 숙달하는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸을 것입니다. 지연 기간은 시스템이 정밀해지는 것을 걱정하기 전에 견고한 지식의 기반을 다질 기회를 주었습니다. 그러나 이러한 이점에는 한계가 있었습니다. 지연이 너무 길어지면 시스템은 새로운 규칙에 적응하는 데 어려움을 겪었고, 개념에 대한 이해도가 다소 떨어졌습니다. 가장 적절한 지점은 전체 학습 시간의 약 3분의 1에서 2분의 1 정도의 완만한 지연이었으며, 이는 지식의 질을 해치지 않으면서도 과정을 가속화했습니다.

연구진은 또한 모델의 제어 부분과 지식 부분 사이의 물리적 연결이 얼마나 중요한지도 테스트했습니다. 그들은 시스템이 잘 학습하기 위해서는 제어 신호가 지식 네트워크의 가장 깊고 중심적인 부분에 직접 연결되어서는 안 된다는 것을 발견했습니다. 대신, 제어 신호는 중간 층에 연결되어야 합니다. 이러한 구조는 현재의 규칙이 개념의 핵심적인 이해를 방해하지 않도록 보호하면서도, 규칙이 행동을 안내할 수 있도록 해줍니다. 이 발견은 제어 역할을 하는 영역이 핵심 개념을 저장하는 깊은 영역과 직접적인 배선을 가지고 있지 않다는 인간의 뇌에 대한 지식과 일치합니다.

이 패턴이 실제 아이들에게도 적용되는지 확인하기 위해, 연구팀은 아이들이 사물을 매칭하는 법을 배우는 방식에 관한 수십 년간의 연구를 검토했습니다. 이 고전적인 테스트에서 아이에게 말(horse) 사진을 보여주고, 다른 두 사진 중 무엇이 그것과 어울리는지 고르게 합니다. 한 가지 옵션은 비슷한 종류의 동물인 사슴(deer)일 수 있고, 다른 하나는 말과 관련된 물건인 안장(saddle)일 수 있습니다. 어린 아이들은 모양과 종류의 유사성을 보고 사슴을 선택하는 경우가 많습니다. 나이가 든 아이들은 만약 "무엇과 어울리는가"라는 지시가 있다면 안장을 선택하는 법을 배우며, 이는 지시에 따라 사고를 전환할 수 있음을 보여줍니다. 연구진은 수백 명의 아이들을 대상으로 데이터를 분석하여, 아이들이 관계에 대한 지식을 언제 얻는지와 그 관계 사이를 전환하는 능력을 언제 얻는지 분석했습니다.

분석 결과 명확한 순서가 드러났습니다. 두 살 정도의 어린 아이들도 이미 사실(facts)을 알고 있었습니다. 그들은 만약 다른 옵션이 신발처럼 관련 없는 것이라면, 말을 사슴과 올바르게 매칭할 수 있었습니다. 또한 말이 안장과 어울린다는 것도 알고 있었습니다(다른 옵션이 관련 없는 것일 때). 그들은 지식을 소유하고 있었습니다. 하지만 두 옵션인 사슴과 안장이 모두 존재하고 지시 사항이 바뀔 때, 두 살 아이들은 올 {올바른 것을 일관되게 선택할 수 없었습니다. 그들은 초기 충동을 억제하고 특정 규칙을 따를 수 있는 제어 시스템을 아직 갖추지 못했던 것입니다. 세 살 즈음이 되어서야 아이들은 지시에 따라 사고를 전환하는 작은 능력을 보이기 시작했고, 여섯 살이 되면 성인처럼 이를 안정적으로 수행할 수 있었습니다.

이 타임라인은 뇌가 지식이라는 원재료를 먼저 개발하고, 그 지식을 제어하고 방향을 설정하는 능력을 나중에 개발한다는 아이디어를 뒷받침합니다. 의미 제어의 발달 지연은 뇌의 성장 실패가 아닙니다. 그것은 아이들이 세상에 대한 풍부하고 여과되지 않은 정보의 수집품을 모을 수 있도록 허용하는 시기입니다. 일단 그 토대가 구축되면, 서서히 성숙하는 제어 시스템이 개입하여 아이에게 그 지식을 유연하고 적절하게 사용하는 법을 가르칠 수 있습니다. 이 연구는 인간의 긴 유년기가 단순히 성인의 뇌가 도착하기를 기다리는 시간이 아니라, 마음이 정밀해지는 법을 배우기 전에 필요한 모든 것을 자유롭게 배울 수 있는 결정적인 단계임을 시사합니다.