Engagement of motor and perceptual awareness when learning to reach with mirror reversed feedback

뇌의 GPS와 거울 미로

여러분의 뇌가 눈에 보이는 것을 바탕으로 끊임없이 위치를 업데이트하는 매우 똑똑한 GPS라고 상상해 보세요. 보통 이 시스템은 완벽하게 작동합니다. 컵을 향해 손을 뻗으면 손이 움직이고, 눈은 "그래, 내 손이 저기에 있네"라고 확인합니다. 하지만 만약 여러분의 GPS를 속이는 마법 안경을 쓴다면 어떻게 될까요? 오른쪽으로 손을 뻗으면, 안경은 손이 왼쪽으로 움직이는 것처럼 보이게 만듭니다. 이것이 바로 우리 뇌가 움직임의 규칙이 변할 때 어떻게 적응하는지를 연구하는 과학 분야인 **운동 학습(motor learning)**의 세계입니다.

과학자들은 우리 뇌가 이러한 오류를 수정하는 두 가지 주요 방법이 있다는 것을 오래전부터 알고 있었습니다. 첫 번째는 **암묵적 학습(implicit learning)**으로, 이는 마치 무의식적인 자동 조종 장치와 같습니다. 이는 여러분이 생각하지 않아도 발동되는 '근육 기억'과 같은 느낌이며, 움직임이 다시 제대로 느껴질 때까지 서서히 조절해 나가는 과정입니다. 두 번째는 **명시적 학습(explicit learning)**으로, 이는 의식적인 "이걸 생각해야 해"라는 전략입니다. 이것은 "화면에 왼쪽이라고 나오면, 나는 실제로 오른쪽으로 움직여야 해"라는 규칙을 통해 GPS를 수동으로 제어하는 것과 같습니다. 우리는 단순한 뒤틀림(예: 회전된 지도)이 있는 상황에서는 이 시스템들이 어떻게 작동하는지 알고 있지만, 과학자들은 **거울 반전(mirror reversal)**이라 불리는 특정한 종류의 속임수에 대해서는 의문을 가져왔습니다. 거울 반전에서는 세상이 단순히 뒤틀리는 것이 아니라 뒤집힙니다. 오른쪽으로 손을 뻗으면 커서가 왼쪽으로 가고, 왼쪽으로 손을 뻗으면 오른쪽으로 갑니다. 핵심 질문은 이것이었습니다. 이 혼란스러운 뒤집힘에 직면했을 때, 우리 뇌는 느리고 무의식적인 자동 조종 장치에 의존할까요, 아니면 의식적인 규칙 준수 모드로 전환할까요?

거대한 거울 뒤집기 실험

이 연구에서 연구진은 시야가 거울처럼 뒤집혔을 때 사람들이 손을 뻗는 법을 어떻게 배우는지 알아보기 위해 디지털 장애물 코스를 설치했습니다. 그들은 일련의 자원봉사자들에게 화면 위의 타겟을 향해 손가락을 움직이도록 요청했습니다. 어떤 사람들에게는 화면이 정상적으로 작동했습니다. 다른 사람들에게는 화면이 아주 조금 뒤틀렸고(20도 회전), 세 번째 그룹에게는 화면이 중앙을 기준으로 완전히 뒤집혔습니다(거울 반전).

연구진은 두 가지를 알고 싶었습니다. 첫째, 사람들은 의식적인 뇌(명시적 학습)를 사용하고 있는가, 아니면 무의식적인 근육 기억(암묵적 학습)을 사용하고 있는가? 둘째, 만약 한 타겟에 대해 해결 방법을 배웠다면, 한 번도 본 적 없는 새로운 타겟에도 그 해결 방법을 즉시 적용할 수 있는가?

이를 알아내기 위해 그들은 자원봉사자들의 마음을 들여다보는 영리한 트릭들을 사용했습니다. 어떤 사람들에게는 손을 보지 않고 손을 뻗게 했으며 "배운 것은 모두 잊으라"고 말했습니다(무의식을 테스트하기 위해). 또 다른 이들에게는 "배운 것을 모두 사용하여" 움직이도록 했습니다(의식적 전략을 테스트하기 위해). 또한 참가자들에게 움직이기 전에 선을 그어 자신이 의도한 목표 지점을 가리키게 하여(의식적인 계획을 테스트하기 위해) 실험했습니다.

연구 결과는 다음과 같았습니다:

화면이 약간 뒤틀렸을 때(회전 그룹), 자원봉사자들의 뇌는 은밀한 닌자처럼 행동했습니다. 그들은 타겟을 맞추는 법을 배웠지만, 거의 전적으로 암묵적 학습을 통해 해냈습니다. 그들은 의식적인 계획이 없는 것처럼 보였고, 연구진이 테스트했을 때 그들은 자신이 어떻게 하고 있는지 설명하지 못했습니다. 설상가상으로 이 "근육 기억"은 매우 까다로웠습니다. 연습했던 특정 타겟에 대해서만 작동했습니다. 새로운 타겟이 나타나면 그들의 뇌는 무엇을 해야 할지 몰랐습니다.

하지만 거울 반전에 직면한 그룹은 완전히 다른 이야기였습니다. 이 자원봉사자들은 무의식적인 자동 조종 장치에 전혀 의존하지 않았습니다. 대신, 그들은 의식적인 뇌를 집중적으로 사용했습니다.

• 그들은 생각했습니다: 그들은 움직임을 시작하는 데 더 오랜 시간이 걸렸는데, 이는 그들이 각 움직임을 능동적으로 계획하고 있었음을 시사합니다.
• 그들은 계획이 있었습니다: 자신이 의도한 곳을 가리키라고 했을 때, 그들은 정확히 무엇을 해야 하는지 알고 있었습니다.
• 그들은 규칙을 알았습니다: 그들은 자신의 전략을 설명할 수 있었으며, 본질적으로 "내가 가고자 하는 방향의 반대로 움직여야 한다"라고 말했습니다.

가장 흥식한 부분은 **일반화(generalization)**였습니다. 거울 반전 그룹은 의식적인 규칙("반대로 움직인다")을 사용하고 있었기 때문에, 한 번도 본 적 없는 새로운 타겟에도 이 규칙을 즉시 적용할 수 있었습니다. 그들의 학습은 한곳에 갇혀 있지 않고 유연했습니다.

연구진은 또한 우리가 이 사고 과정을 측정하는 방법에 대한 흥미로운 세부 사항을 발견했습니다. 연구진이 거울 반전 그룹에게 그들의 의식적인 전략에 대해 물었을 때, 답변은 그들이 '어떻게' 질문을 받았느냐에 따라 달라졌습니다. 만약 움직이기 전에 목표 지점을 가리키게 했다면(지각 테스트), 그들은 매우 정확했습니다. 하지만 움직이는 동안 전략을 설명하게 했다면(운동 테스트), 그들은 다소 덜 정밀했습니다. 이는 우리의 "움직임에 대한 생각"과 "움직임에 대한 느낌"이 뇌의 도구 상자 안에 있는 두 가지 약간 다른 도구이며, 항상 동일한 답을 주는 것은 아님을 시사합니다.

흥미롭게도, 거울 그룹 중 몇몇 사람들은 과제를 수행하는 데 실패했습니다. 연구진은 이 "학습하지 못한 사람들"이 실제로 의식적인 전략을 가지고 있었지만, 그들의 전략이 너무 무질서하고 부정확했다는 것을 발견했습니다. 그들이 노력하지 않은 것이 아니라, 그들의 "규칙"이 너무 모호하여 작동하지 않았던 것입니다. 이는 거울 반전의 경우, 단순히 의식적인 것만으로는 부족하며, 정밀하게 의식적이어야 한다는 것을 시사합니다.

요약하자면, 이 논문은 세상이 거울처럼 뒤집힐 때 우리 뇌가 느리고 자동적인 근육 기억에 의존하는 것을 멈추고 스마트하고 의식적인 규칙 준수자로 전환한다는 것을 시사합니다. 이 의식적인 접근 방식은 시작은 더 느리지만 훨씬 더 유연하며, 새로운 상황에 즉각적으로 대처할 수 있게 해줍니다. 이것은 단 하나의 경로만을 아는 로봇과, 지도를 이해하고 어디든 길을 찾아낼 수 있는 인간의 차이와 같습니다.