Embodied reinforcement learning in the primate cortico-basal ganglia system

뇌의 두 가지 트랙 시스템: 왜 손과 눈은 다르게 학습하는가

당신의 뇌를 가장 많은 점수를 얻기 위해 어떤 버튼을 눌러야 하는지 파악하려는 아주 똑똑한 비디오 게임 콘솔이라고 상상해 보세요. 수십 년 동안 과학자들은 이 "점수 시스템"이 하나의 보편적인 통화처럼 작동한다고 믿었습니다. 그들은 당신이 조이스틱을 사용하든, 키보드를 사용하든, 혹은 음성 명령을 사용하든 상관없이, 뇌가 보상의 가치를 하나의 중앙 집중된 장소에서 계산한 다음, 행동에 필요한 특정 근육 그룹에 동일한 "잘했어!"라는 신호를 보낸다고 생각했습니다. '강화 학습'이라고 알려진 이 개념은 뇌의 보상 계산기가 움직임을 수행하는 신체 부위와 완전히 분리되어 있다고 제안했습니다. 이는 깔끔하고 정돈된 이론이었습니다. 하나의 뇌, 하나의 가치, 그리고 다양한 움직임의 방식 말입니다.

하지만 만약 뇌가 단일한 환율 시스템처럼 작동하지 않는다면 어떨까요? 만약 당신이 학습하는 방식이 당신이 어떻게 움직이는지와 깊게 연결되어 있다면 어떨까요? 이것이 바로 우리의 사고와 학습이 추상적인 구름 속에 떠 있는 것이 아니라 우리의 물리적인 몸에 뿌리를 두고 있다는 개념인 '체화된 인지(embodied cognition)'의 핵심입니다. 만약 이것이 사실이라면, 손으로 쿠키를 잡는 법을 배우는 것은 설령 같은 쿠키일지라도 눈으로 쿠키를 보는 법을 배우는 것과는 뇌 안에서 완전히 다르게 느껴지고 다르게 보일 것입니다. 이를 이해하는 것은 동물이 야생에서 살아남는 방식부터 우리가 어떻게 더 똑똑한 로봇을 만들거나 뇌 손상을 입은 사람들을 도울 수 있는지에 이르기까지 모든 것을 바라보는 관점을 바꾸기 때문에 매우 중요합니다. 만약 뇌가 서로 다른 신체 부위를 별개의 학습 채널로 취급한다면, 이는 우리의 마음이 우리가 이전에 생각했던 것보다 훨씬 더 물리적이고 덜 "추상적"임을 의미합니다.

위대한 원숭이 실험: 눈 vs 손

이 연구에서 연구자 프랑코 지아로코(Franco Giarrocco)와 브루노 아베르벡(Bruno Averbeck)은 두 마리의 마카크 원숭이를 초능력 학습자로 만들어 이 아이디어를 테스트하기로 했습니다. 그들은 원숭이들이 주스 보상을 얻기 위해 두 개의 그림 중 하나를 선택해야 하는 게임을 설정했습니다. 때때로 원숭이들은 오른쪽 그림을 바라봄으로써(안구 운동, 즉 saccade) 선택해야 했고, 다른 때에는 오른쪽 그림을 향해 손을 뻗어 터치해야 했습니다(도달, 즉 reach, 팔의 움직임). 함정은 무엇이었을까요? 원숭이들은 시행착오를 거치며 어떤 그림이 "좋은" 것인지(80% 확률로 주스 제공)와 어떤 것이 "나쁜" 것인지(20% 확률로 주스 제공)를 스스로 배워야 했습니다.

원숭이들이 이 게임을 하는 동안, 과학자들은 8개의 서로 다른 뇌 영역에 걸친 4,843개의 뉴런 활동을 기록했습니다. 그들은 편도체(흔히 감정과 연결됨)부터 전전두엽 피질(뇌의 CEO)과 기저핵(뇌의 행동 중심지)에 이르기까지 모든 것을 살펴보았습니다. 그들은 원숭이가 눈을 사용하든 손을 사용하든 상관없이, 뇌가 보상의 가치를 설명하는 데 동일한 "신경 언어"를 사용하는지 확인하고자 했습니다.

거대한 발견: 두 가지 다른 언어

결과는 기존 이론에 큰 충격을 주었습니다. 과학자들은 뇌가 단일한 보편적 언어를 사용하지 않는다는 사실을 발견했습니다. 대신, 뇌는 어떤 신체 부위가 일을 하고 있느냐에 따라 완전히 다른 두 가지 방언을 사용했습니다.

뇌의 뉴런을 거대한 오케스트라라고 상상해 보세요. 만약 "보편적 가치" 이론이 사실이라면, 오케스트라는 원숭이가 눈을 사용하든 손을 사용하든 소리가 조금 더 크거나 작을 뿐 동일한 멜로디를 연주해야 합니다. 하지만 연구자들이 발견한 것은 마치 오케스트라가 동시에 두 개의 완전히 다른 곡을 연주하는 것과 같았습니다. 원숭이가 눈을 사용할 때, 뉴런은 "이 사진은 가치가 매우 높다!"라고 말하기 위해 특정한 패턴으로 발화했습니다. 반면 원숭이가 손을 사용할 때, 다른 뉴ونات 세트가 다른 패턴으로 똑같은 말을 하기 위해 발화했습니다.

"인구 통계적 기하학(population geometry)"이라는 수학적 도구를 사용하여, 연구자들은 이 두 신경 패턴 사이의 "각도"를 측정했습니다. 그들은 이 패턴들이 거의 직각을 이루고 있다는 것, 즉 "T"자 모양이라는 것을 발견했습니다. 수학적으로 이는 두 패턴이 **직교(orthogonal)**하며, 기하학적으로 독립적임을 의미합니다. 눈을 사용할 때의 가치 정보는 손을 사용할 때의 정보와 너무나 달라서, 만약 "손" 디코더를 사용하여 "눈" 신호를 읽으려고 시도한다면 매우 혼란스러워질 것입니다. 가치 정보가 번역 과정에서 사실상 소실된 것입니다.

이러한 분리는 뇌의 모든 곳에서 일else어났습니다. 과학자들이 보편적 가치 센터라고 생각했던 복측 선조체(ventral striatum)나 편도체(amygdala) 같은 깊은 감정 영역에서도 마찬가지였습니다. 뇌가 약간의 공유된 언어를 유지하고 있었던 유일한 곳은 추상적 규칙을 처리하는 것으로 알려진 복외측 전전두엽 피질(vlPFC)이었습니다. 하지만 그곳에서도 분리는 뚜렷했습니다.

이것이 중요한 이유: 몸이 마음을 형성한다

이 연구는 뇌가 "체화되었다"는 것을 시사합니다. 뇌는 단순히 보상을 계산한 다음 몸에 무엇을 할지 지시하는 것이 아니라, 몸이 어떻게 움직이느냐가 보상이 어떻게 학습되고 저장되는지를 실제로 결정합니다. 연구자들은 원숭이들이 눈을 사용할 때보다 손을 사용할 때(도달) 실제로 더 잘 학습하며, 더 빠르게 배우고 더 나은 선택을 한다는 것을 발견했습니다. 이는 우리의 서로 다른 신체 부위가 서로 다른 종류의 학습 과제를 처리하도록 진화했을 가능성을 암시합니다.

결정적으로, 연구자들은 이러한 차이가 단순히 원숭이들이 한 가지 작업에 더 능숙하기 때문에 발생하는 것이 아니라는 점을 입증했습니다. 원숭이들이 눈과 손 모두에서 동일하게 잘 수행했던 세션만을 따로 보았을 때도, 뇌는 여전히 두 가지 별개의 언어를 사용했습니다. 이는 이러한 분리가 실수가 아니라, 혹은 과업을 잘 수행하지 못해서 생기는 부작용이 아니라, 뇌가 설계된 근본적인 특징임을 증명합니다.

그러니 다음에 당신이 새로운 것을 배울 때, 당신의 뇌가 당신의 손과 눈을 같은 수업을 듣는 두 명의 서로 다른 학생으로 취급하고 있을지도 모른다는 점을 기억하세요. 각 학생은 자신만의 공책과 자신만의 방식으로 수업을 이해하고 있습니다. 뇌는 단일한 추상적 계산기가 아닙니다. 뇌는 당신이 어떻게 움직이느냐가 당신이 어떻게 생각하는지의 일부가 되는 물리적인 기계입니다.