Neural Dissociation of Cognitive Maps and Graphs in the Human Brain
fMRI와 공간적 및 경험적 거리의 직교 조작을 사용하여, 본 연구는 인간의 뇌가 인트라파리에탈 설카스(intraparietal sulcus)에서는 유클리드 공간 근접성을, 해마/해마 주변 영역 및 장면 선택적 피질 영역에서는 최단 경로 경험적 인접성을 나타냄으로써 인지 지도와 그래프를 분리하여 처리한다는 것을 입증한다.
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인간의 정신은 혼란스러운 세상을 구조화된 정신적 풍경으로 바꾸어 놓는 놀라운 능력을 갖추고 있습니다. 우리가 이 일을 수행하는 가장 근본적인 두 가지 방법은 지도와 그래프를 통하는 것입니다. 인지 지도는 장소에 대한 정신적 스냅샷과 같아서, 두 물체 사이의 거리를 직선으로 측정하여 공간상의 물리적 위치를 기준으로 항목들을 배치합니다. 반면, 인지 그래프는 연결의 정신적 그물망으로, 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 경험을 바탕으로 항목들을 연결하며, 여기서 거리는 도달하기 위해 거친 경로에 의해 정의됩니다. 수십 년 동안 과학자들은 인간의 뇌가 이 두 가지 서로 다른 형태의 지식을 어떻게 처리하는지에 대해 논쟁해 왔습니다. 우리의 일상적 경험은 종-종 이 둘을 혼합하기 때문에—공간적으로 가까운 곳은 대개 이동 경로상에서도 가깝기 때문에—연구자들은 뇌가 두 가지 모두를 위한 단일 시스템을 사용하는지, 아니면 각각을 위한 별개의 시스템을 사용하는지를 구분하는 데 어려움을 겪었습니다. 이러한 구분을 이해하는 것은 매우 중요한데, 이는 인간 기억의 기본 구조와 우리가 물리적 공간뿐만 아니라 복잡한 아이디어와 사회적 관계를 어떻게 탐색하는지를 밝혀주기 때문입니다.
막스 플랑크 인간 인지 및 뇌 과학 연구소와 트렌토 대학교의 연구팀은 이 두 유형의 거리를 분리하는 영리한 실험을 설계함으로써 이 질문에 명확한 답을 제시했습니다. 연구진은 여덟 개의 독특한 기념물이 특정 경로 네트워크로 연결된 가상 세계를 만들었습니다. 이 환경에서 그들은 두 위치가 직선상으로는 물리적으로 가까울 수 있지만, 연결되는 경로가 존재하지 않기 때문에 이동하는 데 필요한 거리 측면에서는 멀 수 있는 상황을 설계했습니다. 반대로, 두 위치는 직선상으로는 멀리 떨어져 있지만 짧고 직접적인 경로를 통해 쉽게 도달할 수 있도록 만들었습니다. 이러한 설정은 뇌가 직선 거리와 이동 거리를 별개의 정보로 취급하는지 테스트할 수 있게 해주었습니다.
61명의 자원봉사자가 이 가상 환경을 배우는 데 하루를 보냈습니다. 그들은 1인칭 시점으로 경로를 따라 걷고 기념물을 관찰하며 이 환경을 탐색했습니다. 또한 주변의 빈 공간을 볼 수도 있었습니다. 참가자들이 공간의 배치와 경로의 연결을 진정으로 학습했는지 확인하기 위해, 연구진은 참가자들이 거리를 추정하고 최단 경로를 선택해야 하는 테스트를 실시했습니다. 참가자들이 환경을 충분히 이해했다는 것이 증명되면, 그들은 MRI 스캐너 안으로 들어갔습니다. 기계 내부에서 그들은 기념물의 이미지를 보며 각 기념물의 위치와 연결 상태를 회상하도록 요청받았습니다. 이 과정에서 연구진은 '표상 유사성 분석(representational similarity analysis)'이라는 기법을 사용하여 뇌 활동의 패턴을 조사했습니다. 이 방법은 두 기념물이 지도상에서 가까울 때와 경로 네트워크상에서 가까울 때 뇌의 반응이 어떻게 더 유사해지는지를 확인합니다.
결과는 뇌의 놀라운 분업 체계를 드러냈습니다. 연구진은 직선 형태의 지도와 같은 거리가 두정 정수리구(intraparietal sulcus)라고 알려진 뇌 뒷부분의 특정 영역에서 표현된다는 것을 발견했습니다. 이 영역은 공간 정보를 처리하고 배치를 시각화하는 것으로 알려져 있습니다. 이와 대조적으로, 이동 기반의 그래프와 같은 거리는 해마와 장면을 보거나 경로를 탐색할 때 주로 활성화되는 주변 영역들을 포함한 다른 영역 집단에서 표현되었습니다. 기억과 관련된 뇌 심부 구조인 해마는 위치 사이의 최단 경로를 추적하는 활동 패턴을 보였지만, 직선 거리는 추적하지 않는 것으로 나타났습니다 정적인 공간에 사물이 어디에 놓여 있는지보다는, 우리가 경험을 통해 어떻게 이동하는지를 바탕으로 경험을 조직하는 데 특화되어 있음을 시사합니다.
연구는 또한 장면 인식에 관여하는 파라히포캠팔 장소 영역(parahippocampal place area)과 같은 뇌의 다른 부분들도 조사했습니다. 보통 방이나 풍경의 배치를 인식하는 데 도움을 주는 이 영역들 역시 위치 간의 경로 기반 연결과 연관된 활동 패턴을 보였습니다. 이 발견은 뇌의 장면 처리 시스템이 우리의 경험을 그래프로 구축하기 위해 기억 시스템과 밀접하게 작동하고 있음을 시사합니다. 한편, 지도와 같은 표현을 담당하는 영역은 독립적인 상태를 유지하며 경로 연결을 추적하는 징후를 보이지 않았습니다. 연구진은 이러한 결과가 단순히 기념물의 모양이나 다른 시각적 특징 때문이 아님을 입증하기 위해 주의를 기울였으며, 이를 통해 뇌가 추상적인 개념인 공간 거리와 이동 거리를 실제로 별도로 처리하고 있음을 확인했습니다.
이 연구 결과는 해마의 기능에 관한 신경과학계의 오랜 논쟁에 새로운 관점을 제공합니다. 해마가 공간의 보편적인 지도로 작용한다는 이전의 이론들과 달리, 본 연구는 해마가 우리의 경험의 순서를 조직하는 시스템에 더 가깝다고 제안합니다. 뇌는 두 가지 병렬적인 방식으로 세상을 인지하는 듯 보입니다. 즉, 세상의 전체적인 배치를 보유하는 두정 피질의 지도와, 여정과 사건 사이의 연결을 기록하는 해마 및 장면 처리 영역의 그래프입니다. 이러한 분리는 우리가 환경을 고정된 장소인 동시에 우리가 살아온 일련의 이야기로서 이해할 수 있게 하여, 인간의 사고와 기억에 더욱 풍부하고 유연한 토대를 제공합니다.
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