The quasi systematic nature of splitter cells

당신의 뇌 속 내비게이션 시스템을 수백만 명의 작은 일꾼들(뉴런)이 길을 찾기 위해 끊임없이 대화를 나누는 북적이고 혼란스러운 도시라고 상상해 보세요. 수년 동안 과학자들은 **"스플리터 세포(splitter cells)"**라고 불리는 특정 그룹의 일꾼들에게 매료되어 왔습니다. 이들을 뇌의 "교통 경찰"이라고 생각하면 됩니다. 이들은 당신이 교차로에 도달하여 왼쪽으로 갈지 오른쪽으로 갈지 결정해야 할 때만 빛을 발하는 것처럼 보입니다. 설령 당신이 정확히 같은 지점에 같은 방향을 보고 서 있는 상태라 할지 할지라도 말이죠.

오랫동안 연구자들은 이 교통 경찰들이 결정을 내리는 업무를 위해 특별히 고용된, 독특하고 특별한 직원들이라고 생각했습니다. 그들은 이 세포들을 만들기 위해 뇌가 매우 구체적이고 복잡한 방식으로 설계되어야 하는 것이 아닌지 궁금해했습니다.

실험: 무작위의 도시
이를 테스트하기 위해, 이 논문의 저자들은 컴퓨터로 뇌 모델을 구축했습니다. 멋지고 맞춤 제작된 도시를 만드는 대신, 그들은 무작위의 도시를 만들었습니다. 서로에게 무작위로 소리를 지르는 사람들로 가득 찬 방을 상상해 보세요. 그 누구도 무엇을 해야 할지 지시하는 상사가 없습니다. 그들은 이 무작위 네트워크에 간단한 임무를 주었습니다. 미로를 탐색하고 교차로에서 왼쪽 또는 오른쪽을 선택하는 것이었습니다.

놀라운 발견
네트워크가 완전히 무작위였음에도 불구하고, 그것은 미로를 푸는 법을 학습했습니다. 그리고 어떤 일이 일어났을까요? 스플리터 세포가 자연스럽게 나타났습니다. 실제 뇌에서와 마찬가지로, 이 "교통 경찰"들은 에이전트가 결정을 내릴 수 있도록 혼돈 속에서 출현했습니다. 이는 이러한 세포들을 얻기 위해 특별한 설계도가 필요한 것이 아님을 시사합니다. 즉, 무작위 네트워크가 성공적으로 경로를 탐색하는 법을 배울 때마다 이 세포들은 그냥 나타나는 것입니다.

"쪽지 시험" 테스트: 시스템 파괴하기
여기서 이야기는 아주 흥미로워집니다. 연구자들은 "두더지 잡기" 게임을 하기로 했습니다. 그들은 체계적으로 스플리터 세포들을 찾아내어 "병변(lesion)"을 입혔습니다(본질적으로 시뮬레이션에서 이 세포들을 끄거나 제거한 것입니다).

• 그들이 예상한 것: 에이전트는 길을 잃고 혼란에 빠져, "교통 경찰"이 사라졌기 때문에 미로 찾기에 실패할 것이라고 생각했습니다.
• 실제로 일어난 일: 에이전트는 완벽하게 계속 주행했습니다!

대부분의 경우, 기존의 교통 경찰들을 제거했을 때 새로운 세포들이 네트워크의 다른 부분에서 자연스럽게 나타났습니다. 시스템이 즉각적으로 스스로를 재구성한 것입니다. 새로운 교통 경찰이 나타나지 않은 드문 경우에는, 에이전트가 여전히 미로를 해결했지만, 특정 세포들에 의존하지 않는 다른 보이지 않는 전략을 사용하여 해결했습니다.

큰 그림
연구자들은 내부를 들여다보기 위해 '서브스페이스 정렬(subspace alignment)'이라는 특별한 수학적 렌즈를 사용했습니다. 그들은 특정 작업자들은 바뀌더라도, 대화의 전반적인 형태는 그대로 유지된다는 것을 발견했습니다. 이는 마치 축구 팀의 모든 선수를 새로운 사람들로 교체하더라도, 팀이 여전히 똑같은 포메이션으로 경기를 치르고 승리하는 것과 같습니다. 개별 뉴런들이 일을 수행하며 회전하고 이동하더라도, 의사결정의 "기하학적 구조"는 온전하게 유지되었습니다.

핵-요약
이 논문은 스플리터 세포가 마법이 아님을 알려줍니다. 그것들은 뇌가 기능하는 데 반드시 필요한, 특별하게 프로그래밍된 영웅이 아닙니다. 대신, 복잡한 경로를 성공적으로 탐색하도록 학습하는 모든 네트워크의 자연스러운 부산물입니다.

이것을 어두운 방에서 출구를 찾으려는 군중이라고 생각해 보세요. 한 사람이 "왼쪽!"이라고 외치고 다른 사람이 "오른쪽!"이라고 외치는 것을 볼 수 있을 것입니다(스플리터 세포). 하지만 만약 당신이 그 두 사람을 침묵시킨다 해도, 군중은 패닉에 빠지지 않습니다. 누군가가 상황을 계속 진행시키기 위해 즉시 "왼쪽!" 혹은 "오른쪽!"이라고 외칠 것입니다. 결정은 필수적이지만, 그 외침을 만드는 특정한 사람은 중요하지 않습니다. 뇌는 이 특정 "교통 경찰"들이 있든 없든 문제를 해결할 수 있을 만큼 충분히 유연합니다.