Optimality with room to vary: stiff and sloppy modes in a sensory population

당신의 눈이 수천 명의 음악가(뉴런)들이 모여 세상을 묘사하기 위해 하나의 곡을 연주하는 거대한 오케스트라라고 상상해 보세요. 오랫동안 과학자들은 이 오케스트라가 세상의 '가장 완벽한' 버전을 연주하기 위해 완벽하게 조율되어 있으며, 모든 음악가가 매 순간 정확한 음을 짚어낸다고 생각했습니다.

하지만 실제로 뉴런의 소리를 들어보면 매우 무질서합니다. 때로는 음이 약간 어긋나기도 하고, 때로는 리듬이 변하기도 하며, 같은 그림을 보고 있더라도 두 음악가의 소리가 똑같지 않습니다. 이는 완벽한 시스템이라는 개념과 모순되는 것처럼 보입니다.

이 논문은 다음과 같은 질문을 던집니다: 어떻게 하나의 시스템이 완벽하게 효율적이면서 동시에 믿기 힘들 정도로 무질서할 수 있는가?

그 답을 찾기 위해 연구진은 망막 세포들이 영화와 노이즈 패턴을 관찰할 때 내는 '음악'에 귀를 기울였습니다. 그들은 혼돈을 단순화하고 숨겨진 패턴을 찾아내기 위해 특별한 수학적 렌즈(저계수 이싱 모델, low-rank Ising model)를 사용했습니다. 연구진이 발견한 내용은 다음과 같은 일상적인 비유를 통해 설명할 수 있습니다.

1. "중심축" 대 "움직임의 여지"

연구진은 이 오케스트라가 단순히 무작위적인 소음 기계가 아니라는 것을 발견했습니다. 이 오케스트라는 보고 있는 것에 대한 가장 중요한 정보를 전달하는 몇 가지 주요 테마(잠재 모드)에 의해 유도됩니다.

이 주요 테마들을 인체의 척추에 비유해 봅시다.

• 뻣뻣한 모드 (척추): 이것들은 코드의 핵심적인 부분입니다. 만약 척추를 너무 많이 구부리려고 하면 몸 전체가 무너집니다. 뇌에서 이것들은 뉴런 활동의 특정 패턴들로, 반드시 정밀함을 유지해야 하는 부분들입니다. 만약 이 패턴들이 조금이라도 변한다면, 뇌는 사물을 명확하게 보는 능력을 잃게 됩니다. 이 뻣뻣한 모드들은 시각 정보를 가장 작은 공간에 가장 많이 담아내는 방식(마치 여행 가방을 가장 효율적으로 싸는 것과 같이)과 완벽하게 일al하게 정렬되어 있습니다.
• 느슨한 모드 (움직임의 여지): 이것들은 그리 중요하지 않은 코드의 부분들입니다. 이것들을 당신이 입고 있는 옷이라고 생각해 보세요. 빨간 셔츠를 입든, 파란 셔츠를 입든, 초록색 셔츠를 입든 당신은 여전히 동일한 사람입니다. 뇌에는 뉴런들이 격렬하게 변하거나, 곡조를 바꾸거나, 사람마다 다르게 행동하더라도 최종적인 결과물(이미지)을 망치지 않는 '느슨한' 방향들이 존재합니다.

2. 진정한 주인공은 "뻣뻣한" 중심축이다

이 연구는 "뻣뻣한" 부분(척추)이 시스템을 효율적으로 만드는 핵심임을 보여줍니다. 이들은 시각적 세계와 아주 밀접하게 맞물려 있습니다. 흥미롭게도, 이 뻣뻣한 패턴들은 자연에서 발견되는 가장 흔한 형태들(나무의 가장자리나 구름의 형태 등)과 정확히 일치하는데, 이는 진화가 실재하는 세상을 인식하는 데 매우 효율적이도록 뇌를 조율했음을 시사합니다.

3. 변화를 위한 안정적인 토대

"옷"(느슨한 부분)은 서로 다른 영화, 서로 다른 시간대, 혹은 서로 다른 사람들 사이에서 끊임없이 변하지만, "척추"(뻣뻣한 모드)는 그대로 유지됩니다. 이 안정적인 중추 덕분에 뇌는 다음을 수행할 수 있습니다:

• 지금 보고 있는 이미지를 재구성하는 것.
• 영화에서 다음에 일어날 일을 예측하는 것.

핵심 요점

이 논문은 변동성은 오류가 아니라 기능이다라고 결론짓습니다.

자연은 경직되고 변하지 않는 기계를 설계한 것이 아닙니다. 대신, 세상을 정확하게 볼 수 있도록 보장하는 단단한 핵심을 만들고, 그 주변을 시스템이 깨지지 않으면서도 적응하고 변화할 수 있게 해주는 유연하고 무질서한 부분들로 둘러싸서 구축했습니다. 뇌가 '최적'인 이유는 모든 것이 완벽하기 때문이 아니라, 어떤 부분이 반드시 완벽해야 하고 어떤 부분이 느슨해도 되는지를 정확히 알고 있기 때문입니다.