Perceptual learning reformats working memory codes along a reverse visual hierarchy

인간의 뇌는 멀티태스킹의 명수이며, 눈으로 들어오는 새로운 시각 정보의 홍수와 방금 본 것을 붙잡아 두어야 하는 필요성 사이에서 끊임없이 균형을 잡습니다. 주변 세계를 계속 처리하면서도 정보의 한 조각을 마음속에 활성 상태로 유지하는 이 능력은 작업 기억(working memory)이라고 알려져 있습니다. 수십 년 동안 과학자들은 시각 체계의 서로 다른 부분들이 서로 다른 역할을 수행하도록 특화되어 있다는 점을 이해해 왔으며, 어떤 영역은 가공되지 않은 시각 데이터가 들어오는 초기 진입점 역할을 하고, 다른 영역은 더 복잡한 해석을 담당하는 상위 단계의 역할을 합니다. 오랫동안 제기된 질문은 뇌가 어떻게 새로운 것을 보는 능력을 잃지 않으면서 시각적 장면의 기억을 저장하는가, 그리고 새로운 시각적 기술을 배우는 행위가 실제로 기억이 저장되는 방식을 변화시키는가 하는 점이었습니다. 만약 뇌가 경험에 따라 적응하는 유연한 기관이라면, 어려운 시각적 과제를 숙달하는 것은 그 기억을 유지하는 데 사용되는 신경 코드 자체를 재형성하여 흔적을 남겨야 할 것입니다.

한 연구팀은 이러한 재형성이 실시간으로 일어나는 과정을 관찰하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 자원봉사자들을 모집하여 화면상의 움직이는 점들의 방향을 구별하는 특정 시각적 과제에 대해 5일간 집중적인 훈련을 받게 했습니다. 처음에는 이 과제가 어려웠지만, 며칠이 지나면서 참가자들의 미세한 움직임 차이를 포착하는 능력은 크게 향상되었습니다. 학습 과정 중에 뇌 내부에서 어떤 일이 일고 있는지 확인하기 위해, 연구진은 자원봉사자들을 기능적 자기공명영상(fMRI) 스캐너에 배치했습니다. 이 기계를 통해 그들은 높은 정밀도로 뇌 활동을 관찰할 수 있었으며, 특히 참가자들이 새로운 시각적 입력을 처리하는 동안에도 움직임의 방향에 대한 기억을 어떻게 유지하는지에 주목했습니다. 연구진은 뇌가 정보를 표현하는 두 가지 뚜렷한 방식, 즉 눈으로 들어오는 가공되지 않은 감각 신호와 매우 유사한 방식과, 즉각적인 감각 입력으로부터 더 추상적이고 분리된 방식에 초점을 맞추었습니다.

연구 결과, 자원봉사자들이 과제에 능숙해짐에 따라 뇌는 단순히 전반적으로 더 크거나 활발하게 반응하는 것이 아니라, 기억을 저장하는 방식을 재조직한다는 사실이 밝혀졌습니다. 눈으로부터 초기 신호를 받는 영역인 시각 피질의 가장 첫 번째 층에서, 뇌는 원래의 감각 신호와 매우 유사한 형태의 기억을 유지하는 능력을 강화했습니다. 이러한 고충실도의 감각 유사 저장 방식은 더욱 견고해졌으며, 각 개인의 이러한 개선 정도는 그 사람의 테스트 성적이 향상된 정도와 정확히 일치했습니다. 동시에, 시각 처리 사슬의 약간 더 높은 영역에서는 더 추상적이고 분리된 기억 형식을 사용하는 것이 줄어들었습니다. 이러한 변화는 학습이 단순히 새로운 기술을 추가하는 것이 아니라, 정보를 마음속에 간직하는 설계도 자체를 근본적으로 변화시켜, 뇌가 초기 처리 센터에서 시각 세계에 대한 정밀하고 감각적인 복사본에 더 많이 의존하도록 밀어붙인다는 것을 시사합니다.

연구진은 또한 첫 번째 시각 영역 내에서 이 두 가지 다른 유형의 기억 코드가 어떻게 상호작용하는지 조사했습니다. 그들은 뇌가 감각 유사 기억을 강화하면서도, 두 코드를 혼란스럽게 섞지 않는다는 것을 발견했습니다. 감각 기억과 추상 기억은 서로 구별되고 분리된 상태로 유지되었으며, 신경 네트워크 내에서 각자의 공간을 차지했습니다. 그러나 활동의 타이밍은 더 동기화되었는데, 이는 뇌가 개별적인 정체성을 잃지 않으면서도 두 가지 서로 다른 저장 스타일를 더 효율적으로 조정하는 법을 배웠음을 시사합니다. 이 발견은 뇌의 가소성, 즉 변화하는 능력이 시각 계층 구조를 거슬러 올라가는 특정 형태의 작업 기억 코드 재포맷을 포함한다는 것을 나타냅니다. 기억을 더 높고 추상적인 영역으로 밀어 올리는 대신, 뇌는 기억을 감각의 근원 가까이에 유지함으로써 본 것과 기억하는 것 사이의 연결을 강화하는 법을 배웁니다.

이러한 결과는 미세한 시각적 기술을 배우는 것의 특징이 기억의 역계층적 재포맷(reverse-hierarchy reformatting)임을 시사합니다. 뇌는 초기 시각 영역에서 고품질의 감각 유사 표현을 강화하는 동시에, 서로 다른 유형의 정보 사이의 명확한 분리를 유지함으로써 적응합니다. 이 과정은 뇌가 새로운 입력을 처리하느라 바쁜 와중에도 정밀한 시각적 세부 사항을 유지할 수 있게 해줍니다. 이 연구는 뇌가 학습하는 전체 미스터리를 해결했다고 주장하는 것이 아니라, 경험에 의한 가소성이 시각 체계에서 어떻게 작동하는지에 대한 명확한 지도를 제공합니다. 학습이 시각 계층 구조를 따라 기억 코드의 분포를 재형성한다는 것을 보여줌으로써, 이 연구는 뇌가 복잡한 시각적 세계의 요구에 부응하기 위해 내부 도구를 어떻게 정교하게 다듬는지에 대한 구체적인 설명을 제시합니다.