Mentally transformed representations in memory are linked to their originals

우리의 마음은 정적인 저장 창고가 아닙니다. 그곳은 정보를 보유하고, 결정적으로 그것을 조작하는 능동적인 작업 공간입니다. 자동차를 운전하면서 끊임없이 백미러를 확인해야 하는 상황을 상상해 보십시오. 뒤따라오는 차가 몇 초 후에 어디에 있을지 알기 위해서는, 거울에서 보이는 이미지를 가져와 정신적으로 시간과 공간상에서 앞으로 이동시켜야 합니다. 마음속에 담긴 정보 조각을 가져와 비틀고, 돌리고, 업데이트하는 이 능력은 우리가 변화하는 세상을 항해하는 방식의 근본적인 부분입니다. 과학자들은 이 능동적인 작업 공간을 "작업 기억(working memory)"이라고 부릅니다. 수십 년 동안 핵심적인 질문은 이 시스템이 정보가 변경된 후 원래의 정보를 어떻게 처리하느냐는 것이었습니다. 만약 당신이 어떤 물체를 정신적으로 회전시킨다면, 뇌는 새로운 것을 위한 공간을 만들기 위해 시작 이미지를 버릴까요, 아니면 아마도 백업으로서 원래 버전을 배경에 안전하게 보관할까요?

연구진은 사람들이 정신적 회전 과제를 수행하는 동안 뇌가 어떻게 움직이는지 관찰함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 그들은 자원봉사자들에게 줄무늬 패턴의 각도를 암기하게 한 다음, 특정 양만큼 정신적으로 회전시키게 했고, 마지막으로 두 번째의 다른 패턴을 암기하게 했습니다. 나중에 신호가 참가자들에게 회전된 버전과 새로운 패턴 중 어느 것이 테스트될 것인지를 알려주었습니다. 두피에서 전기 신호를 읽는 기술을 사용하여, 연구진은 특정 패턴이 언제 어느 시점에 뇌의 작업 기억 속에 유지되고 있는지 확인할 수 있었습니다. 그들은 놀라운 사실을 발견했습니다. 원래의 패턴은 더 이상 과제에 필요하지 않았음에도 불구하고, 뇌는 그것을 버리지 않았습니다. 대신, 원래의 패턴은 뇌의 신호 속에 여전히 남아 있었지만, 이는 회전된 버전이 여전히 유지되고 있을 때만 그러했습니다. 두 정보는 연결되어 있었습니다. 만약 뇌가 회전된 이미지를 놓아버리면, 원래의 이미지도 함께 놓아버렸습니다. 만약 회전된 이미지를 유지한다면, 원래의 이미지도 함께 유지했습니다.

연구는 단순한 전제에서 시작되었습니다. 우리가 형태를 정신적으로 변형할 때(예를 들어 모양을 회전시킬 때), 우리는 기존의 것에 기반하여 새로운 정신적 이미지를 생성합니다. 이전 연구들은 오래된 이미지가 현재의 과제와 무관해진 후에도 뇌 속에 종종 남아 있다고 시사했습니다. 이는 작업 기억이 효율적이라는 사실 때문에 의문스러운 일이었습니다. 작업 기억은 공간을 확보하기 위해 정보가 더 이상 유용하지 않은 순간 즉시 정보를 폐기하기 때문입니다. 연구진은 왜 뇌가 이 "쓸모없는" 원래 이미지를 계속 유지하는지 알고 싶어 했습니다. 그들은 세 가지 가능성을 고려했습니다. 첫째, 아마도 뇌가 아직 원래 이미지를 처리하는 과정을 끝내지 못해서 단순히 지각의 잔상으로 남아 있는 것일 수 있습니다. 둘째, 이미지를 회전시키는 행위가 매우 깊은 주의력을 요구하여 원래 이미지가 기억 속에 고정되어 제거될 수 없는 것일 수도 있습니다. 셋째, 아마도 원래의 이미지와 회전된 이미지가 하나의 패키지로 묶여 있어서, 하나를 유지하는 것이 다른 하나를 유지하는 것을 의미할 수도 있습니다.

이 아이디어들을 테스트하기 위해 연구진은 40명의 자원봉사자를 대상으로 정밀한 실험을 설계했습니다. 각 참가자는 조용한 방에 앉아 화면을 바라보았습니다. 먼저, 그들은 특정 각도로 줄무늬 패턴이 있는 원형 패치를 보았습니다. 그들은 이 각도를 기억해야 했습니다. 그다음, 그 패턴을 특정 도(예를 들어 30도 또는 90도)만큼 정신적으로 회전시키라는 지시가 나타났습니다. 이 정신적 회전의 결과물이 "회전 생성물(rotation product)"입니다. 참가자들은 이제 이 새로운, 회전된 각도만이 중요하다는 안내를 받았습니다. 원래의 각도는 더 이상 필요하지 않습니다. 즉시, 두 번째의 줄무늬 패턴이 나타났고, 그들은 이것 또한 암기해야 했습니다. 마지막으로, 화면에 숫자가 나타났습니다. 숫자가 1이면 회전된 패턴이 테스트될 것임을 의미했습니다. 숫자가 2이면 두 번째의 회전되지 않은 패턴이 테스트될 것임을 의미했습니다. 참가자들은 주어진 항목에 대해 테스트 패턴이 시계 방향으로 회전했는지 아니면 반시계 방향으로 회전했는지를 판단해야 했습니다.

단계들 사이의 대기 시간 동안, 연구진은 화면에 짧고 중립적인 시각적 충격을 주었습니다. 이 충격은 프로브(탐침) 역할을 하여, 연구진이 현재 뇌의 작업 기억 속에서 무엇이 활성화되어 있는지 스냅샷을 찍을 수 있게 해주었습니다. 이 섬광 이후의 전기 활동을 분석함으로써, 그들은 뇌가 원래의 패턴, 회전된 패턴, 혹은 두 번째 패턴 중 무엇을 보유하고 있는지 해독할 수 있었습니다.

결과는 명확했습니다. 참가자들이 회전된 패턴을 마음속에 유지하고 있을 때, 뇌 신호는 원래의 패턴이 여전히 그곳에 있음을 보여주었습니다. 이는 원래의 패턴이 과제에 더 이상 필요하지 않음에도 불구하고 그러했습니다. 이는 두 번째의 완전히 다른 패턴을 암기한 후에도 마찬가지였습니다. 이 결과는 원래의 이미지가 단순히 지각의 잔상이라는 생각을 배제했습니다. 만약 그것이 단순한 잔상이었다면, 두 번째 패턴이 추가되었을 때 사라졌어야 했습니다. 만약 그것이 깊은 인코딩 때문에 고정된 것이었다면, 회전된 패턴이 버려졌을 때도 여전히 관찰되었어야 했습니다.

미스터리의 열쇠는 연구진이 참가자들에게 회전된 패턴 대신 두 번째 패턴에 집중하라고 지시했을 때 일어난 일을 살펴보았을 때 나왔습니다. 이 순간들에는 회전된 패턴에 대한 뇌 신호가 사라졌습니다. 결정적으로, 원래 패턴에 대한 신호도 정확히 동시에 사라졌습니다. 두 정보는 독립적이지 않았습니다. 즉, 서로 연결되어 있었습니다. 뇌는 원래 이미지를 별도의 백업으로 유지하는 것이 아니었습니다. 대신, 뇌는 회전된 이미지를 유지하고 있기 때문에만 원래 이미지를 유지했습니다. 회전된 이미지가 더 이상 필요하지 않게 되었을 때, 원래의 이미지도 그것과 함께 버려졌습니다.

연구진은 또한 참가자들의 수행 능력을 살펴보았습니다. 그들은 뇌가 회전된 패턴에 대해 강한 신호를 보였던 시행(trial)에서 참가자들이 더 정확하다는 것을 발견했습니다. 그러나 뇌가 원래의 패턴에 대해 강한 신호를 보였던 시행에서는 참가자들이 오히려 덜 정확했습니다. 이는 원래 이미지의 존재가 과제에 도움이 된 것이 아니라, 오히려 약간의 방해가 되었음을 시사합니다. 뇌가 원래 이미지를 유지한 것은 현재의 목표에 유용해서가 아니라, 정신적 변형이 구조화된 방식 때문이었습니다. 회전된 이미지는 원래의 이미지를 바탕으로 구축되었으며, 뇌는 이들을 연결된 쌍으로 유지했습니다.

이 발견은 우리가 마음의 내적 세계를 생각하는 방식을 바꿉니다. 이는 우리가 기존의 것을 통해 새로운 정신적 이미지를 생성할 때, 단순히 옛것을 새것으로 교체하는 것이 아님을 시사합니다. 대신, 새로운 이미지는 그 근원에 닻을 내린 채로 남습니다. 뇌는 이러한 표현들을 연결된 상태로 유지하는 것을 선호하는 듯하며, 이는 아마도 유연성을 허용하기 위함일 것입니다. 실제 상황에서, 만약 자동차가 시야에서 사라진다면, 우리는 마지막으로 알려진 위치를 바탕으로 자동차의 미래 경로를 예측할 수 있습니다. 만약 상황이 갑자기 변한다면, 원래의 정보를 여전히 사용할 수 있다는 것은 처음부터 다시 시작하지 않고도 빠르게 예측을 재계산할 수 있게 해줄 것입니다. 이 연구는 단순하고 고립된 과제에서 원래 이미지를 유지하는 것이 아무런 이점이 없음을 보여주었지만, 이러한 연결된 구조가 역동적이고 변화하는 환경을 다루는 우리 뇌의 특징일 수 있음을 암시합니다. 마음은 단지 사실을 저장하는 것이 아니라, 새로운 아이디어가 그것으로부터 자라난 오래된 것들에 의해 고정되는 연결의 그물을 구축합니다.