Representational continuity through cognitive reconfiguration of magnitude networks in the human brain
이 fMRI 연구는 표적 인코딩 중에는 우측 전두측두두정피질에서 공간적, 시간적, 수치적 표현이 부분적으로 중첩되지만, 이들의 기능적 협응과 신경학적 독자성이 특히 재현 및 메타인지적 평가 단계 동안 역동적으로 재구성된다는 것을 입증함으로써 공통된 규모 체계에 관한 논쟁을 해결한다.
원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. 이것은 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트의 AI 생성 설명입니다. 의학적 조언이 아닙니다. 이 내용을 바탕으로 건강 관련 결정을 내리지 마세요. 전체 면책 조항 읽기
매일 우리 뇌는 세상을 항해하는 데 도움을 주기 위해 조용하고 끊임 없는 계산을 수행합니다. 우리는 자동차가 얼마나 멀리 있는지, 빨간불이 얼마나 오래 유지될지, 그리고 커피숍에 몇 명의 사람들이 줄을 서 있는지 판단합니다. 이러한 판단에는 공간, 시간, 그리고 숫자가 관여합니다. 수십 년 동안 과학자들은 뇌가 이 세 가지 매우 다른 유형의 정보를 하나의 공유된 시스템을 사용하여 처리하는지, 아니면 각기를 위한 별도의 전문화된 도구를 사용하는지를 두고 논쟁해 왔습니다. 어떤 이론들은 우리가 가장 짧은 줄을 선택하거나 가장 빨리 움직이는 줄을 선택하는 것과 같이 결정을 내리기 위해 흔히 이 추정치들을 결합해야 하기 때문에, 뇌에 모든 양을 동일하게 취급하는 공통된 '크기(magnitude)' 중심이 있다고 제안합니다. 반면 다른 이들은 선의 길이를 판단하는 것이 사과의 개수를 세거나 노래의 박자를 맞추는 것과는 근본적으로 다르기 때문에, 뇌가 이러한 기술들을 별개로 유지한다고 주장합니다.
이 질문에 답하기 어려웠던 이유는 대부분의 연구가 한 번에 한 가지 기술만을 살펴보거나, 사고 과정의 단일한 순간에만 집중했기 때문입니다. 그러나 실생활의 결정은 단일한 순간이 아니라 일련의 과정입니다. 먼저, 우리는 양을 인지하고 기억해야 합니다. 그런 다음, 버튼을 누르거나 커서를 움직이는 것과 같은 행동을 안내하기 위해 그 기억을 사용합니다. 마지막으로, 우리는 제대로 했는지 되돌아보고 결정합니다. 터키와 캐나다 연구진의 새로운 연구는 "하나의 시스템인가 아니면 여러 개인가"라는 논쟁에 대한 답이 우리가 관찰하는 이 순서 중 어느 단계에 달려 있는지에 따라 달라진다는 것을 시사합니다. 연구진은 40-5의 성인을 대상으로 선, 지속 시간, 점의 개수를 다루는 과제를 수행하게 하며 뇌를 스캔한 결과, 뇌의 조직화는 고정되어 있지 않다는 것을 발견했습니다. 대신, 뇌는 그 순간의 과제가 무엇을 요구하느냐에 따라 전략을 바꿉니다.
연구진은 참가자들이 기능적 자기공명영상(fMRI) 스캐너 안에 누워 있는 동안 세 가지 뚜렷한 유형의 과제를 수행하도록 요청했습니다. 한 과제에서는 검은 선의 길이를 기억한 다음 흰 선을 늘리는 방식으로 버튼을 눌러 그 길이를 재현해야 했습니다. 또 다른 과제에서는 정사각형이 화면에 머무는 시간만큼 버튼을 누르고 있어야 했습니다. 세 번째 과제에서는 점들의 집단이 나타난 개수를 기억한 다음, 그 개수에 맞춰 점의 집단을 늘려야 했습니다. 뇌가 단순히 모양이나 색상을 보는 것이 아니라 '양'이라는 특정 개념에 집중하고 있는지 확인하기 위해, 연구팀은 특정 노란색 색조를 맞추는 대조 과제를 포함했습니다. 각 시도 후, 참가자들은 자신이 얼마나 정확했는지, 즉 너무 많이 갔는지 혹은 덜 갔는지를 판단해야 했습니다. 이러한 설계는 과학자들이 세 가지 뚜렷한 단계, 즉 정보가 처음으로 기억에 부호화되는 순간, 기억을 바탕으로 신체가 행동하는 순간, 그리고 개인이 자신의 성과를 평가하는 순간의 뇌 활동을 분리할 수 있게 해주었습니다.
연구진이 정보의 부호화 단계, 즉 기억하는 순간의 뇌 스캔을 살펴보았을 때, 그들은 공유된 시스템의 명확한 징후를 발견했습니다. 참가자들이 선의 길이, 시간, 또는 숫자의 이미지를 형성할 때, 뇌의 오른쪽 부분에 위치한 특정 신경망이 세 가지 과제 모두에서 활성화되었습니다. 뇌의 앞쪽과 옆쪽에 위치한 이 영역은 강한 중첩을 보였으며, 이는 뇌가 단순히 양을 수집하고 마음속에 간직할 때 공통된 도구 상자를 사용한다는 것을 시사합니다. 그러나 이 공유된 활동이 뇌가 세 가지 과제를 동일하게 취급한다는 것을 의미하지는 않았습니다. 이 공유 구역 내에서도 구체적인 활동 패턴은 충분히 달랐기에, 컴퓨터는 사람이 시간, 공간, 또는 숫자에 대해 생각하고 있는지 구별할 수 있었습니다. 뇌는 공통된 동네를 사용하고 있었지만, 그 안의 집들은 서로 다르게 배치되어 있었습니다.
이야기는 참가자들이 두 번째 단계인 재현 단계로 넘어갔을 때 극적으로 변했습니다. 행동을 시작하자마자 공유된 활동은 사라졌습니다. 선을 늘리는 동안 활성화되었던 뇌 영역은 버튼을 누르는 시간을 맞추거나 점의 개수를 셀 때 활성화되는 영역과 달랐습니다. 뇌는 일반적인 목적의 저장 모드에서, 과제의 구체적인 요구 사항이 어떤 신경 회로를 사용할지 결정하는 전문화된 실행 모드로 전환되는 것처럼 보였습니다. 전체 그룹에 걸쳐 '크기'에 대한 단일하고 통합된 신호는 더 이상 존재하지 않았습니다. 대신, 뇌는 기억을 물리적 행동으로 바꾸기 위해 별개의 경로를 사용하는 듯 보였습니다.
참가자들이 자신의 성과를 판단하는 마지막 단계에서는 또 다른 패턴이 나타났습니다. 여기서 뇌는 공유된 활동과 구별된 활동이 섞인 모습을 보였는데, 시간에 관해서는 놀라운 반전이 있었습니다. 사람들이 공간이나 숫자에 대한 오류를 평가할 때, 모니터링 및 의사결정에 관여하는 광범위한 영역들이 함께 작동했습니다. 그러나 시간의 오류를 평가할 때 이 네트워크는 덜 활성화되었습니다. 사람들이 선이나 숫자에 대해 너무 빠르거나 느렸음을 깨닫게 해주는 뇌 영역들은 시간의 경우 더 조용했습니다. 이는 참가자들의 행동과도 일치했습니다. 그들은 시간보다는 공간이나 숫자에 대한 실수를 인지하는 데 훨씬 더 능숙했습니다. 뇌가 시간을 추적할 수는 있지만, 그 타이밍에 대한 오류를 명확하게 되돌아보는 것은 더 어렵다는 점을 시사합니다.
연구는 또한 뇌의 각 부분이 이 단계들 동안 어떻게 서로 소통하는지도 살펴보았습니다. 그들은 뇌의 내부 배선이 정적인 상태가 아님을 발견했습니다. 부호화 단계 동안 뇌 깊숙한 곳에 있는 인슐라(insula)라는 작은 영역은 감독관처럼 작용하여 다른 영역에 신호를 보내 기억 형성을 도왔습니다. 하지만 과제가 평가 단계로 넘어가면서 이 통제 방식은 변화했습니다. 인슐라는 일방향적인 감독관 역할을 멈추고 네트워크의 나머지 부분과 더 자유롭게 신호를 교환하기 시작했습니다. 이는 뇌가 숫자, 시간, 공간이 어디에 사는지에 대한 고정된 지도를 가지고 있는 것이 아님을 시사합니다. 대신, 뇌는 가치를 배우고 있는지, 그것을 실행하고 있는지, 혹은 결과를 확인하고 있는지에 따라 연결을 재구성하는 유연한 구조를 가지고 있습니다.
이러한 발견은 뇌가 단일하고 통합된 '크기 기계'도 아니고, 완전히 분리된 도구들의 집합도 아니라는 점을 보여줌으로써 오랜 논쟁에 종지부를 찍습니다. 뇌는 훨씬 더 역동적입니다. 뇌는 정보를 수집하고 보유하기 위해 공유된 시스템을 사용하지만, 행동해야 할 때는 그 시스템을 분해하며, 성찰해야 할 때는 다시 재구성합니다. 공간, 시간, 숫자가 신경 자원을 공유하는 정도는 뇌가 그 순간에 그것들로 무엇을 하고 있느냐에 전적으로 달려 있습니다. 즉, 우리가 모든 양에 대해 하나의 시스템을 가지고 있는지에 대한 답은 단순한 '예' 또는 '아니오'가 아니라, "기억할 때는 그렇다"이고, "행동할 때는 아니다"라는 것입니다. 자신의 구조를 순간의 요구에 맞춰 적응시키는 뇌의 능력이야말로 우리가 복잡하고 변화하는 양의 세계를 항해할 수 있게 해주는 핵심입니다.
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