Abstract Representations of Sensorimotor Transformations in Human Premotor Cortex

인체는 적응력의 경이로움 그 자체입니다. 우리는 어지러운 책상 위의 커피잔을 향해 손을 뻗었다가, 즉시 키보드로 타이핑을 전환하고, 나아가 날아오는 테니스 공을 맞추기 위해 라켓을 조절할 수 있습니다. 이러한 각 동작은 시각적 목표(물체가 어디에 있는지 보는 것)를 특정한 물리적 움직임으로 뇌가 번역하는 과정을 필요로 합니다. 수십 년 동안 과학자들은 뇌가 신체의 지도를 포함하고 있으며, 특정 영역이 서로 다른 근육을 제어하기 위해 활성화된다는 사실을 이해해 왔습니다. 그러나 더 깊은 질문이 남아 있었습니다. 뇌가 모든 가능한 상황에 대비한 근육 명령 목록을 단순히 저장하고 있는 것일까요, 아니면 어떻게 행동해야 하는지에 대한 더 유연하고 추상적인 이해를 보유하고 있는 것일까요? 만약 도구가 손과 물체 사이의 관계를 변화시키는 것처럼 게임의 규칙이 바뀐다면, 뇌는 모든 것을 처음부터 다시 배우는 것일까요, 아니면 새로운 규칙을 인식하고 다른 종류의 논리를 적용하는 것일까요? 이 차이를 이해하는 것은 우리가 어떻게 그렇게 빠르게 새로운 기술을 배우는지, 그리고 환경이 예기치 않게 변할 때 어떻게 통제력을 유지하는지를 밝혀주기 때문에 매우 중요합니다.

이를 탐구하기 위해 연구진은 머리 윗부분 근처에 위치하며 움직임을 계획하고 실행하는 역할을 담당하는 영역인 감각운동 피질에 주목했습니다. 그들은 이 영역이 두 가지 다른 종류의 정보, 즉 사람이 손을 움직이는 방향과 그 움직임이 시각적 결과로 어떻게 번ano되는지를 규정하는 구체적인 규칙 또는 '맥락'을 동시에 보유할 수 있는지 알고 싶었습니다. 통제된 실험에서 참가자들은 뇌 활동의 상세한 사진을 찍는 기계인 자기공명영상(MRI) 스캐너 안에 앉았습니다. 스캐너 안에서 그들은 오직 손목만을 사용하여 화면상의 컴퓨터 커서를 제어하는 법을 배웠습니다. 문제는 손목과 커서 사이의 연결이 항상 직관적이지는 않다는 점이었습니다. 한 세트의 시행에서는 커서가 손의 움직임에 대해 회전된 상태로 움직였고, 다른 세트에서는 거울에 비친 모습처럼 반사된 형태로 움직였습니다. 참가자들은 이 두 가지 뚜렷한 규칙을 학습하고 그 사이를 전환해야 했으며, 그동안 연구진은 그들의 뇌 내부에서 어떤 일이 일어나는지 관찰했습니다.

과학자들은 사람이 단순히 특정 방향으로 손을 움직이는 것과 특정 규칙을 따르며 손을 움직이는 것의 차이를 구분할 수 있는지 확인하기 위해 뇌 활동 패턴을 분석했습니다. 그들은 뇌가 이 두 가지를 동일하게 취급하지 않는다는 것을 발견했습니다. 근육에 직접적인 신호를 보내는 것으로 알려진 일차 운동 피질에서, 활동 패턴은 손목이 움직이는 방향에 따라 변했지만, 사람이 어떤 규칙을 따르고 있는지와는 상관없이 동일하게 유지되었습니다. 이는 이 부분의 뇌가 움직임의 물리적 역학 자체에 집중하고 있음을 시사합니다. 그러나 일차 운동 영역 바로 앞에 위치한 영역인 등측 전운동 피질에서는 다른 이야기가 나타났습니다. 이곳에서의 뇌 활동 패턴은 움직임의 방향뿐만 아니라 사용 중인 특정 규칙에 따라서도 변했습니다. 이 영역의 뉴런들은 이중적인 메시지를 전달하는 듯 보였습니다. 즉, 손이 어디로 가고 있는지뿐만 아니라, 과제의 추상적인 맥락 또한 인지하고 있었던 것입니다.

연구는 이러한 추상적 이해가 사람들의 수행 능력에 실제로 영향을 미치는지 확인하기 위해 더 나아갔습니다. 연구진은 전운동 피질에서 변환 맥락에 대한 뇌 활동 패턴이 더 강하게 나타난 개인이 과제를 더 잘 수행한다는 것을 발견했습니다. 다시 말해, 서로 다른 규칙을 더 잘 구별하는 뇌를 가진 사람들이 움직임을 더 효과적으로 적응시킬 수 있었습니다. 이 발견은 전운동 피질이 무엇을 해야 하는지에 대한 '아이디어'와 근육을 움직이기 위한 '실제 명령' 사이를 잇는 가교 역할을 한다는 것을 시사합니다. 전운동 피질은 단순히 특정 근육을 발화시키라는 명령을 내리는 것이 아니라, 상황에 대한 유연한 표상을 보유함으로써 게임의 규칙이 바뀔 때 올바른 전략을 적용할 수 있게 해줍니다. 이 결과는 우리의 학습 및 적응 능력이, 목표와 맥락을 그것을 달성하기 위해 필요한 구체적인 물리적 움직임으로부터 분리하여 보유할 수 있는 신경 체계에 뿌리를 두고 있음을 보여줍니다.