Connectedness reveals a posterior-frontoparietal dissociation in numerosity adaptation
정신물리학과 fMRI를 결합한 본 연구는 수량 적응이 물리적 점의 개수가 아닌 유효 지각 수량에 의해 유도됨을 입증하며, 전두-두정엽 뇌 지도가 지각적 조직화에 의해 형성된 유효 수량을 특이적으로 추적하는 후방-전두두정엽 해리 현상을 밝혀낸다.
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인간의 뇌는 하나하나 세지 않고도 장면 안에 얼마나 많은 사물이 있는지 파악하는 놀랍고 본능적인 능력을 갖추고 있다. 수량성(numerosity)이라고 알려진 이 기술 덕분에 우리는 새 떼가 큰 무리인지 작은 무리인지, 혹은 군중이 늘어나고 있는지 등을 일일이 집계하기도 전에 즉각적으로 판단할 수 있다. 수십 년 동안 과학자들은 이 감각이 단순히 시각적 데이터를 수동적으로 기록하는 것이 아니라, 일시적으로 변화될 수 있는 역동적인 시스템이라는 것을 알고 있었다. 만약 당신이 오랫동안 많은 양의 물체를 응시한다면, 당신의 뇌는 재조정되며, 그 후에 보는 동일한 크기의 집단은 갑자기 더 작게 보이게 된다. 적응(adaptation)이라 불리는 이 현상은, 색상이나 움직임에 조율된 회로를 가진 것처럼 뇌에 숫자에 조율된 특정한 신경 회로가 있음을 시사한다. 그러나 근본적인 질문이 오랫동안 남아 있었다. 이 시스템이 실제로 보이는 물리적인 점의 개수를 세는 것인가, 아니면 인지하는 의미 있는 집단의 개수를 세는 것인가? 이 답은 우리의 수량 감각이 가공되지 않은 픽셀의 합계인지, 아니면 세상이 조직된 방식에 대한 정교한 해석인지 밝혀주기 때문에 중요하다.
남중국 사범대학교의 연구진은 '연결성(connectedness)'이라는 시각적 트릭을 통해 뇌가 어떻게 정보를 처리하는지 테스트함으로써 이 논쟁을 해결하고자 했다. 그들은 두 점 사이에 선을 그으면 뇌가 이를 두 개의 별개 항목이 아닌 하나의 단위로 취급하는 경우가 많다는 점을 알고 있었다. 즉, 40개의 점이 있는 그림에서 20쌍의 점이 선으로 연결되어 있다면, 이는 40개의 점이 흩어져 있고 연결되지 않은 그림보다 훨씬 적은 항목이 있는 것처럼 느껴진다. 연구팀은 뇌의 적응 시스템이 40개의 물리적 점의 개수를 따르는지, 아니면 인지된 20개 집단의 개수를 따르는지 확인하고 싶었다. 이를 위해 그들은 참가자들에게 이러한 다양한 패턴에 적응하도록 요청하고, 그 후 인지와 뇌 활동이 어떻게 변화하는지를 측정함으로써 행동 테스트와 뇌 영상 촬영을 결합했다.
행동 결과는 명확하고 결정적이었다. 참가자들이 40개의 연결된 점에 적응했을 때, 40개의 연결되지 않은 점에 적응했을 때보다 수량 감각의 변화가 덜 극적으로 나타났다. 물리적인 점의 개수는 두 경우 모두 동일했지만, 뇌는 연결된 배열이 더 적은 항목을 포함하고 있는 것처럼 반응했다. 이는 적응 효과가 시각적 요소의 가공되지 않은 개수가 아니라, 인지된 객체의 수에 의해 유도되었음을 증명했다. 뇌는 단순히 점을 집계하는 것이 아니라, 시각적 노이즈로부터 조직해낸 구별되는 단위들을 세고 있었던 것이다.
연구진은 이 과정이 뇌 내부에서 어떻게 전개되는지 살펴보기 위해 기능적 자기공명영상(fMRI)을 사용하여 숫자를 처리하는 것으로 알려진 특정 영역의 활동을 관찰했다. 그들은 뇌 표면에서 특정 수량에 조율된 6개의 뚜렷한 지도(map)를 식별했다. 그들은 두 유형의 적응체 모두 뇌가 선호하는 숫자를 변화시키지만, 그 변화의 성격은 뇌의 어느 부위에서 활동을 측정하느냐에 따라 달라진다는 것을 발견했다. 뇌의 뒤쪽 부분에 위치한 후방 지도(posterior maps)에서는 연결된 점들에 대한 적응 패턴이 더 가파르게 나타났는데, 이는 이 영역들이 선과 연결의 시각적 구조에 민감하다는 것을 시사했다. 반면, 고차원적 사고를 담당하는 외측 두정엽 및 전두엽 영역의 지도는 연결되지 않은 점들에 대해 더 강한 반응을 보였다.
이러한 차이는 중요한 역할 분담을 드러냈다. 우리의 행동과 결정을 안내하는 영역에 더 가까운 전두-두정엽 지도(frontoparietal maps)는 참가자들이 실제로 인지한 항목인 20개 집단의 유효한 수를 추적했다. 초기 시각 처리 센터에 더 가까운 후방 지도들은 그룹을 만드는 물리적인 선과 윤곽에 대한 더 강한 민감도를 유지하는 듯 보였다. 이 연구는 뇌가 단일하고 균일한 규칙에 의존하지 않는다는 것을 보여준다. 대신, 뇌는 서로 다른 영역이 물리적 세부 사항과 지각적 조직을 다르게 가중치로 두는 네트워크를 통해 수량 정보를 처리한다. 궁극적으로, 우리의 수량 감각을 이끄는 시스템은 단순히 화면 위의 가공되지 않은 점의 개수가 아니라, 우리가 세상의 관련 있는 단위로 인지하는 것에 의해 조정된다.
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