A Unified World Model in Human Posterior Parietal Cortex

인간의 뇌는 예측의 명수입니다. 떨어지는 유리잔을 잡기 전, 당신의 마음은 이미 그 궤적과 속도, 그리고 유리가 산산조각 날 정확한 순간을 계산해 냅니다. 컵을 향해 손을 뻗기 전, 당신은 물체의 무게와 그것을 들어 올리는 데 필요한 움켜쥐는 힘을 시뮬레이션합니다. 과학자들은 뇌가 단순히 보이는 대로 세상에 반응하는 것이 아니라, 물리적 실체에 대한 내부적이고 역동적인 모델을 유지하고 있다고 오랫동안 의심해 왔습니다. 이 "세계 모델(world model)"은 우리가 사물이 어떻게 상호작용하는지 이해하고, 다음에 무슨 일이 일어날지 예견하며, 펼쳐지는 장면 속에서 자신의 움직임을 계획할 수 있게 해주는 정신적 시뮬레이션입니다. 인공지능 연구자들이 이러한 모델을 기계에 구축하기 위해 수십 년을 보냈지만, 인간의 뇌에서 그 생물학적 상응물을 찾는 것은 심오한 미스터리로 남아 있었습니다. 질문은 단지 우리가 미래를 예측할 수 있느냐가 아니라, 이 지속적이고 침묵하는 계산이 우리 마음의 광활한 네트워크 중 어디에서 일어나는가 하는 것입니다.

연구팀은 이제 인간의 뇌에서 이 세계 모델의 하드웨어 역할을 하는 것으로 보이는 특정 영역을 식별해 냈습니다. 두 개인의 뇌에서 직접 전기적 활동을 기록함으로써, 그들은 상두정엽(superior parietal lobule)이라고 알려진 뇌의 윗부분 뒷면에 위치한 작은 뉴런 집단이 세 가지의 뚜렷하지만 연결된 작업을 동시에 수행한다는 것을 발견했습니다. 이 뉴런들은 단순히 일어나는 현상에 반응하는 것이 아닙니다. 이들은 장면의 물리적 이해를 구축하고, 그 장면이 어떻게 변할지 예측하며, 사람이 다음에 수행하고자 하는 계획을 보유합니다. 이 발견은 뇌가 물리학에 대해 생각하는 것, 미래를 추측하는 것, 그리고 행동을 계획하는 것에 대해 별개의 고립된 회로를 사용하지 않는다는 것을 시사합니다. 대신, 뇌는 동일한 세포가 이 세 가지 모두를 담당하는 통합된 시스템을 사용합니다.

이 연구는 척수 손상 후 움직임의 회복을 돕기 위한 임상 시험의 일환으로 미세한 전극 배열을 이식받은 두 명의 참가자를 대상으로 진행되었습니다. 모래알 크기만 한 이 전극들은 이전의 뇌 스캔에서 물리적 추론과 움직임 계획 모두와 연관되어 있다고 밝혀졌던 상두정엽에 배치되었습니다. 연구진은 참가자들에게 일련의 과업을 수행하도록 요청하는 동안 전극을 통해 개별 뉴런의 발화 패턴을 기록했습니다. 한 과업에서 참가자들은 불안정해 보이는 블록으로 만든 탑이 담긴 영상을 시청했습니다. 그들은 탑이 왼쪽으로 쓰러질지 오른쪽으로 쓰려질지, 혹은 단순히 파란색 블록과 노란색 블록의 개수를 셀지 결정해야 했습니다. 또 다른 과업에서 그들은 망치가 못을 박는 것과 같은 물리적 사건이나, 사람들이 웃는 것과 같은 사회적 상호작용과 같은 자연스러운 영상들을 시청했습니다.

결과에 따르면, 이 뇌 영역의 뉴런들은 참가자들이 물리적 세계와 관계를 맺을 때 특히 활발하게 반응했습니다. 참가자들이 블록 탑을 보거나 물리적 사건이 담긴 영상을 볼 때, 뉴리학자들은 사회적 영상이나 단순한 색상 세기 과업을 수행할 때보다 훨씬 더 격렬하게 발화했습니다. 이러한 물리적 추론에 대한 선호는 일시적인 반응이 아니었습니다. 블록 탑에 반응했던 것과 동일한 뉴런 집단이 도미노가 쓰러지거나 팽이가 도는 영상에도 반응했습니다. 연구진은 이 뉴런들이 단순히 시각적 입력에 반응하는 것이 아니라, 장면의 모델을 능동적으로 구축하고 있다는 것을 발견했습니다. 그들은 안정적인 탑과 불안정한 탑을 구분할 수 있었으며, 망치가 못을 치는 것과 사람이 악수하는 것에 대해 다르게 반응했습니다.

결정적으로, 이 연구는 이 뉴런들이 미래를 예측하고 있다는 사실도 밝혀냈습니다. 별도의 실험에서 참가자들은 물체가 목표물을 향해 움직이는 영상을 시청했습니다. 때때로 물체는 목표물을 맞혔고, 때때로 빗나갔습니다. 연구진은 충돌이 실제로 일어나기 수백 밀리초 전에 뉴런들이 다르게 발화하기 시작한다는 것을 발견했습니다. 만약 물체가 목표를 맞힐 예정이라면, 뉴런들은 물체가 놓치게 될 때의 패턴과는 구별되는 특정한 패턴으로 발화했습니다. 이는 물체가 무엇인가에 닿기도 전의 일이었으므로, 뇌가 결과에 대한 시뮬레이션을 실행하고 있음을 시사합니다. 놀랍게도, 이 예측 능력은 다양한 시나리오에 걸쳐 일반화되었습니다. 뉴런들은 물체가 지면 위를 구르든 공중을 날아가든 충돌을 예측할 수 있었는데, 이는 특정 영상 클립을 단순히 암기한 것이 아니라 물리 법칙에 대한 깊은 이해를 나타냅니다.

마지막 퍼즐 조각은 행동과의 연결이었습니다. 참가자들은 손으로 두 가지 행동 중 하나를 수행하는 것을 상상하도록 요청받았습니다: 주먹으로 물체를 만지거나 손가락으로 손잡이를 당기는 것 중 하나였습니다. 물리적 세계를 모델링하고 충돌을 예측하는 데 분주했던 바로 그 뉴런들이 사람이 수행하려는 의도된 동작 또한 부호화했습니다. 연구진은 상당수의 개별 뉴런이 세 가지 일을 동시에 하고 있다는 것을 발견했습니다: 이들은 물리적 추론 과업을 선호했고, 사건이 발생하기 전에 움직이는 물체의 결과를 예측했으며, 사람의 의도된 손 움직임을 신호했습니다. 이러한 수렴은 뇌가 이러한 기능들을 별개의 구획에 보관하지 않는다는 것을 시사합니다. 대신, 동일한 신경 집단이 물리적 세계에 대한 이해, 미래 상태에 대한 예측, 그리고 우리 자신의 행동 계획을 하나의 응집된 과정으로 통합합니다.

연구진은 다른 설명들을 배제하기 위해 주의를 기울였습니다. 뉴런들이 단순히 과업이 더 어렵거나 참가자들이 더 많은 주의를 기울였기 때문에 반응한 것이 아니었습니다. 대조군 과업들은 동일한 난이도와 몰입도를 갖도록 설계되었음에도 불구하고 뉴런들은 조용히 있었습니다. 또한 뉴런들은 영상 속에 인간의 신체나 의도적인 움직임이 존재하기 때문에 반응한 것도 아니었습니다. 뉴런들은 사람이 전혀 등장하지 않는 물리적 사건에도 강하게 반응했기 때문입니다. 이 발견은 여러 차 기록 세션 전반에 걸쳐 일관되게 나타났으며, 집단의 평균이 아닌 개별 뉴런의 활동을 살펴볼 때도 유효했습니다. 비록 이 연구가 두 명의 참가자와 좁은 뇌 영역으로 제한되었지만, 증거는 인간의 상두정엽에 실시간 물리 세계 시뮬레이터 역할을 하는 통합된 시스템이 존재하며, 이를 통해 우리가 놀라운 속도와 정밀도로 환경 속에서 탐색하고, 예측하며, 행동할 수 있게 해준다는 점을 가리키고 있습니다.