The Impact of Topological Changes on Visual Working Memory in Schizophrenia: Evidence from Behavioral and EEG Measures

인간의 정신은 조직화의 명수입니다. 우리가 세상을 바라볼 때, 우리의 뇌는 단순히 색상과 선들의 혼란스러운 뒤섞임을 기록하는 것이 아니라, 이러한 세부 사항들을 즉각적으로 일관된 객체로 그룹화합니다. 컵을 단순한 곡선과 손잡이의 집합체가 아닌 하나의 단일한 사물로 인식하는 이 능력은 '위상(topology)'이라 불리는 특정한 유형의 구조적 정보에 의존합니다. 간단히 말해, 위상은 표면의 세부 사항이 변하더라도 변하지 않는 객체의 근본적인 형태를 의미합니다. 예를 들어, 손잡이가 있는 커피 머그잔에는 구멍이 있지만, 속이 찬 공에는 구멍이 없습니다. 이러한 구멍의 존재 여부에 따른 차이는 위상학적 특성입니다. 이는 객체의 정체성에 대한 깊고 안정적인 특징이며, 우리의 뇌는 색상의 변화나 정확한 윤곽선의 변화보다 이를 더 빠르고 신뢰성 있게 인지하는 경향이 있습니다. 이러한 우선순위는 우리가 이미지를 잠시 마음속에 담아두고 과업에 사용하는 정신적 작업 공간인 시각적 작업 기억으로까지 확장됩니다.

하지만 이 정신적 파일 정리 시스템은 오작러를 일으킬 수 있습니다. 심각한 정신 건강 질환인 조현병 환자들은 시각적 정보를 유지하거나 서로 다른 특징들을 하나의 명확한 그림으로 통합하는 데 어려움을 겪으며, 작업 기억에 문제를 보입니다. 과학자들은 환자들이 기억력에 문제가 있다는 사실은 알고 있었지만, 그 문제가 구체적으로 이러한 깊은 구조적 형태를 처리하는 방식에 있는지에 대해 오랫동안 의문을 품어왔습니다. 조현병 환자의 뇌도 여전히 근본적인 형태를 기억해야 할 가장 중요한 것으로 취급할까요, 아니면 이 특별한 우선순위가 상실된 것일까요? 이를 이해하는 것은 이것이 세상을 명확하게 보는 능력의 실패인지, 아니면 보이는 것을 사용 가능한 기억으로 조직화하는 능력의 실패인지를 밝혀줄 수 있습니다.

안후의과대학교와 중국의 여러 병원 연구진은 사람들이 형태를 기억하는 방식을 관찰함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 연구진은 두 그룹의 성인을 모집했습니다: 임상적으로 안정된 상태의 조현병 환자 31명과 건강한 대조군 32명입니다. 모든 참가자는 18세에서 45세 사이였으며, 정상 시력을 가졌고, 최소 9년 이상의 교육을 이수했습니다. 환자들은 모두 자신의 질환에 대해 정기적으로 약물을 복정하고 있었으며, 급성 정신병 삽화 상태에 있지 않았습니다. 주요 실험에 앞서, 연구진은 공정한 비교를 위해 환자들의 증상과 모든 참여자의 일반적인 인지 능력을 평가했습니다.

실험은 참가자들이 컴퓨터 화면으로부터 약 2미터 떨어진 조용한 방에서 진행되었습니다. 참가자들에게는 구멍이 있는 형태와 없는 형태, 그리고 다양한 색상의 기하학적 도형들이 차례로 보여졌습니다. 각 시행마다 참가자는 4개의 도형과 그 위치를 암기해야 했습니다. 짧은 휴지기 후에 화면에 새로운 도형 하나가 나타났고, 참가자는 그 도형의 윤곽선이 이전에 동일한 위치에서 보았던 형태와 일치하는지 결정해야 했습니다. 연구진은 변화를 정밀하게 제어했습니다. 때로는 윤곽선이 변했고, 때로는 색상이 변했으며, 때로는 근본적인 구조, 즉 형태에 구멍이 있는지 여부가 변했습니다. 결정적으로, 연구진은 이러한 특징들을 조작하여 구멍의 상태가 윤곽선의 변화와 일치하거나 혹은 모순되도록 만들었습니다. 이 설정은 실험이 윤곽선의 변화만을 묻고 있음에도 불구하고, 뇌가 '구멍' 정보를 사용하여 기억 과업을 돕거나 방해하는지를 확인하기 위함이었습니다.

결과에 따르면, 건강한 사람들의 경우 뇌가 실제로 그 구조적 정보를 사용하고 있었습니다. 형태의 구멍 상태가 윤곽선의 변화와 일치할 때, 건강한 참가자들은 과업 수행에서 더 정확하고 빨랐습니다. 마치 그들의 뇌가 객체의 깊은 구조적 정체성을 신뢰할 수 있는 닻으로 사용하고 있는 것과 같았습니다. 그러나 조현병 환자들은 다른 패턴을 보였습니다. 환자들이 구조적 변화를 완전히 보지 못하는 것은 아니었지만, 이 정보를 사용하여 기억력을 향상시키는 능력은 현저히 약했습니다. 그들은 전체적으로 건강한 집단보다 정확도가 떨어졌으며, 구조적 일관성이 제공하는 도움이 훨씬 작았습니다. 이는 환자들이 형태를 볼 수는 있지만, 그들의 뇌가 이 깊은 구조적 지식을 작업 기억에 통합하여 의사 결정을 안내하는 데 덜 효율적임을 시사합니다.

연구진은 기억의 순간 동안 뇌 내부에서 어떤 일이 일어나고 있는지 이해하기 위해 참가자들의 머리에 전극을 부착하여 전기적 활동을 기록했습니다. 그들은 정보를 유지하고 의사 결정을 내리는 데 관여하는 것으로 알려진 특정 뇌파에 집중했습니다. 연구진은 의사 결정을 담당하는 전두엽 영역과 시각을 처리하는 후두엽 영역의 뇌 활동을 조사했습니다. 연구 결과, 건강한 사람들의 경우 형태의 구조가 변할 때 베타 주파수 범위의 뇌파가 특정한 방식으로 변화한다는 것을 발견했습니다. 이 변화는 뇌가 객체에 대한 내부 이미지를 업데이트하는 과정을 반영하는 것으로 생각됩니다. 조현병 환자의 경우, 이 업데이트 신호가 변형되어 있었습니다. 그들의 뇌는 형태의 구조가 변할 때 동일한 유연한 반응을 보이지 않았으며, 이는 실시간으로 객체의 정신적 이미지를 업데이트하는 데 어려움을 겪고 있음을 시사합니다.

나아가, 연구진은 뇌의 서로 다른 부분들이 어떻게 소통하는지 조사했습니다. 건강한 참가자들의 경우, 형태의 구조가 변할 때 뇌 뒷부분의 시각 영역과 앞부분의 의사 결정 영역 사이의 연결이 특정 리듬에 따라 강화되었습니다. 이 강화된 연결은 뇌가 시각적 입력과 기억 과업을 조정하는 데 도움을 주는 것으로 보입니다. 반면, 조현병 환자들은 과업의 요구에 따라 이 연결을 강화하는 능력을 보여주지 못했습니다. 그들의 뇌는 구조적 정보가 관련되어 있을 때 시각 처리 센터와 기억 센터를 유연하게 연결하는 능력이 떨어져 보였습니다.

이러한 발견은 조현병의 특정한 유형의 어려움을 보여줍니다. 환자들은 단순히 무언가를 잊어버리는 것이 아니라, 객체의 가장 근본적이고 안정적인 특징을 활용하여 기억하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 그들의 뇌는 건강한 뇌와 마찬가지로 객체의 깊은 구조적 정체성을 우선시하지 않는 듯하며, 이 과정을 조율하는 신경망 또한 덜 반응적입니다. 이 연구는 조현병의 기억 문제가 단순히 저장 공간의 부족이 아니라, 뇌가 시각적 정보를 조직하고 업데이트하는 방식의 더 깊은 문제에서 기인할 수 있음을 시사합니다. 연구진은 표본 크기가 상대적으로 작고 약물 효과를 완전히 배제할 수 없다는 점을 언급했지만, 결과는 기억 장애를 연구할 때 뇌가 객체의 정체성을 구성하는 방식을 살펴보아야 한다는 필요성을 가리킵니다. 이 연구는 뇌가 세상의 표면적인 세부 사항뿐만 아니라, 세상의 구조를 어떻게 지각하는지를 조사하는 것이 이러한 질환을 이해하는 길임을 나타냅니다.