Distinct and shared neural resources between processing of dynamic physical objects and spatial working memory

뇌의 맥가이버 칼 vs. 전문화된 도구

여러분의 뇌를 북적이는 도시라고 상상해 보세요. 이 도시에는 특정 업무에 전념하는 전문 구역들이 있습니다. 멜로디를 듣는 "음악 구역", 단어를 이해하는 "언어 구역", 그리고 색을 보는 "시각 구역"이 있습니다. 하지만 수학 문제를 풀거나, 빨간 버튼을 누르려는 자신을 제지하거나, 전화번호를 기억하는 것과 같이 어려운 과제에 직면할 때마다 불이 들어오는 일반적인 "다운타운" 구역(흔히 전두정엽 피질이라 불리는 곳)도 존재합니다. 과학자들은 오랫동안 이 바쁜 다운타운과 전문 구역들 사이의 관계에 대해 궁금해해 왔습니다. 구체적으로, 물체가 어떻게 움직이고, 부딪히고, 떨어지는지를 파악하기 위한 특별한 "물리학 구역"이 뇌에 따로 존재할까요? 아니면 그 똑같은 다운타운 영역이 복잡한 물리학 문제와 일반적인 정신적 체력 훈련을 모두 처리하며 일석이조의 역할을 수행하고 있는 걸까요?

이를 이해하려면 두 가지를 알아야 합니다. 첫째, **직관적 물리학(Intuitive Physics)**은 우리가 세상이 어떻게 돌아가는지 추측할 수 있는 타고난 능력입니다. 예를 들어, 블록 탑의 바닥을 밀면 탑이 무너질 것이라거나, 공이 벽에 맞고 튕겨 나올 것이라는 점을 아는 것과 같습니다. 둘_째, **공간 작업 기억(Spatial Working Memory)**은 자전거를 주차한 위치를 기억하거나 붐비는 방 안에서 친구를 추적하는 것처럼, 머릿속에 특정 위치를 담아두기 위해 사용하는 정신적 포스트잇입니다. 큰 질문은 이것입니다. 뇌는 물리학만을 위한 독특하고 전용화된 뉴런 팀을 사용하는 것일까요, 아니면 모든 어려운 과제를 처리하는 동일한 일반적인 "열심히 일하는" 팀을 동원하는 것일까요? 만약 같은 팀이라면, 물리학을 잘한다는 것은 단지 여러분의 일반적인 주의 집중력이 매우 높다는 것을 의미할 수도 있습니다. 만약 독특한 팀이라면, 물리학은 그 자체로 특별한 기술인 것입니다.

뇌의 이중 근무

이 연구에서 존스 홉킨스 대학교의 사무엘 마이오네(Samuel Maione)와 샤리 리우(Shari Liu) 연구진은 28명의 성인을 대상으로 뇌 속에서 "차이점 찾기" 게임을 하기로 했습니다. 그들은 물리적 대상(당구공이 튕겨 나가는 것과 같은)에 대해 생각하는 것을 좋아하는 뇌 영역이, 어려운 기억력 퍼즐을 푸는 것을 좋아하는 영역과 정확히 일치하는지 알고 싶었습니다.

그들은 참가자들을 MRI 기계에 넣고 두 가지 주요 과제를 주었습니다. 첫째, 움직이는 점들의 영상을 보여주었습니다. 때때로 이 점들은 물리적 대상(당구공처럼 벽에 튕기는 모습)처럼 행동하기도 했고, 때로는 사회적 행위자(친구처럼 서로를 쫓는 모습)처럼 행동하기도 했습니다. 참가자들은 점들이 잠시 사라졌을 때 어디로 갈지를 추적해야 했습니다. 둘째, 공간 작업 기억 게임을 진행했습니다. 참가자들은 파란색 사각형이 나타나는 격자를 보았습니다. "쉬운" 버전에서는 몇 개의 사각형만 불이 들어왔고, "어려운" 버전에서는 많은 사각형에 불이 들어왔으며, 참가자들은 그것들이 정확히 어디에 있었는지 기억해야 했습니다.

연구진은 "기능적 관심 영역(functional regions of interest, fROI)"이라는 영리한 기법을 사용했습니다. 이것은 뇌라는 도시에서 각 과제에 대해 가장 많이 불이 들어오는 특정 동네를 찾는 것과 같습니다. 그들은 "물리 구역"(사회적 영상보다 당구공 영상을 더 선호하는 지점)과 "열심히 일하는 구역"(쉬운 기억 게임보다 어려운 기억 게임을 더 선호하는 지점)을 찾아냈습니다.

그들이 발견한 내용은 다음과 같으며, 이는 약간의 반전이 있습니다.

1. 구역들이 겹치지만, 완벽하지는 않다
"물리 구역"과 "열심히 일하는 구역"은 이웃한 곳입니다. 그들은 일부 거리를 공유합니다. 이 구역들 내 세포의 약 4분의 1이 두 구역 모두에 속해 있습니다. 이는 뇌가 이 업무들을 위해 완전히 분리된 팀을 가지고 있는 것이 아니라, 서로 바로 옆에 붙어 있으며 때때로 함께 일한다는 것을 시사합니다.

2. 일방통행 도로
이 부분이 흥계롭습니다. 연구진은 이상한 비대칭성을 발견했습니다.

• 열심히 일하는 구역(어려운 과제를 주로 처리하는 지점)은 과제가 물리학에 관한 것인지 사회적 행위자에 관한 것인지에 대해 별로 신경 쓰지 않는 듯했습니다. 그들은 단지 과제가 어려워지면 불이 들어왔습니다.
• 그러나 물리 구역(물리학을 좋아하는 지점)은 참가자들이 어려운 기억 게임을 할 때 강력하게 반응했습니다. 실제로 이 "물리학을 좋아하는" 세포들은 기억 게임을 할 때 물리 게임을 할 때만큼이나 열심히 일했습니다.

이것은 특화된 빵집이 우연히 커피를 맛볼 수 있는 최고의 장소이기도 하지만, 옆집 커피숍은 빵을 전혀 굽지 못하는 상황을 찾는 것과 같습니다. "물리" 세포들은 다재다능합니다. 그들은 물리학을 하는 것도 좋아하지만, 어려운 공간 기억 과제를 수행하는 것도 좋아합니다. 반면 "열심히 일하는" 세포들은 주제에 대해 까다롭지 않으며, 그저 도전 자체를 원합니다.

3. 예측 게임
연구진은 이어서 개인차를 살펴보았습니다. 그들은 질문했습니다. "만약 어떤 사람이 초활발한 '물리' 세포를 가지고 있다면, 그 사람은 기억력 게임을 더 잘할까?"
대답은 확실한 **"예"**였습니다. 어려운 기억 게임을 할 때 "물리 구역"이 가장 활발하게 반응한 사람들은 격자 위치를 기억하는 데 있어서도 가장 정확했습니다.
놀랍게도, 그 반대는 성립하지 않았습니다. "열심히 일하는 구역"의 세포가 매우 활발하다고 해서 반드시 그 사람이 기억력 게임을 잘하는 것은 아니었습니다. 특히 "물리학을 좋아하는" 세포의 활동이 누가 공간 퍼즐을 잘하는지를 예측했습니다.

이것이 의미하는 바 (그리고 의미하지 않는 것)

이 연구는 우리가 물리적 세계를 이해하는 데 사용하는 뇌 영역이 단순히 고립된 전문가가 아님을 시사합니다. 이 영역들은 일반적인 공간 주의력 및 까다로운 과제들과도 깊게 연관되어 있습니다. 저자들은 이 영역들이 하이브리드 형태일 수 있다고 제안합니다. 즉, 물리학을 다루기에 충분히 전문화되어 있으면서도, 공간 및 위치와 관련된 다른 힘든 업무에도 동원될 수 있다는 것입니다.

하지만 논문은 이것이 뇌가 작동하는 유일한 방식이라고 말하지 않도록 주의를 기울였습니다. 연구진은 "물리" 세포가 기억 게임을 돕기는 했지만, "열심히 일하는" 세포는 누가 기억 게임을 잘하는지를 예측하는 데 도움이 되지 않는다는 점에 주목했습니다. 이는 물리적 추론 네트워크가 공간 과제에 관여하긴 하지만, 그것이 전체 이야기는 아닐 수 있음을 시사합니다.

또한, 연구진은 이 뇌 패턴이 누가 물리 게임 자체를 잘하는지를 예측할 수 있는지 테스트할 수 없었습니다. 왜냐하면 물리 게임을 위한 테스트가 다소 "노이즈(noise)"가 많았기 때문입니다. 사람들의 점수가 너무 다양하게 나타나서 뇌 활동과 기술 사이의 명확한 선을 긋기가 어려웠습니다. 따라서 우리는 "물리" 세포가 기억력에 도움을 준다는 것은 알지만, 이 세포들이 물리학 천재가 되기 위한 비밀 소스인지에 대해서는 아직 알지 못합니다.

요약하자면, 뇌의 "물리 팀"은 곧 "공간 기억 팀"이기도 합니다. 그들은 같은 노동자 집단이며, 단지 업무에 따라 다른 모자를 쓰고 있을 뿐입니다. 하지만 "열심히 일하는" 팀은 좀 더 일반적이며, 특정 분야의 마스터가 되는 것과는 상관없이 어떤 힘든 도전이든 나타납니다. 이 연구는 물리적 세계를 이해하는 능력과 공간을 마음속에 담아두는 능력이 서로 깊게 얽혀 있으며, 동일한 신경적 부동산을 공유하고 있음을 시사합니다.