Arousal as competition, valence as drive:a two-control account of affective modulation in the magnitude system

우리의 뇌는 단순히 거리나 시간뿐만 아니라 양의 관점에서도 끊임없이 세상을 측정합니다. 우리는 새의 무리가 빠르게 셀 수 있을 만큼 작은지, 아니면 대략적인 추측이 필요한 정도로 큰지를 본능적으로 알고 있습니다. 과학자들은 오랫동안 뇌가 숫자, 시간, 공간을 동일한 근본적인 과정의 변형으로 취급하며, 이러한 다양한 종류의 크기를 처리하기 위해 공유된 내부 시스템을 사용한다고 의심해 왔습니다. 그러나 이 퍼즐의 결정적인 조각 하나가 여전히 빠져 있었습니다. 바로 우리의 정서 상태가 이러한 것들을 측정하는 방식을 어떻게 변화시키느냐 하는 점입니다. 우리는 공포나 흥분이 우리의 집중력을 날카롭게 하거나 시간이 느려지는 것처럼 느끼게 할 수 있다는 것을 알고 있지만, 이러한 감정이 뇌의 계산 메커니즘을 물리적으로 어떻게 변화시키는지에 대한 명확한 설명은 부족했습니다. 뇌가 흥분할 때 단순히 전역적인 볼륨 조절기를 높여서 모든 것을 더 크게 혹은 더 빠르게 느끼게 만드는 것일까요? 아니에는 정보가 처리되는 방식의 규칙 자체를 바꾸는 더 복잡한 방식으로 작동하는 것일까요?

인도 크레아 대학교(Krea University) 연구진의 새로운 연구는 이 질문에 대해 구체적인 두 부분으로 된 답을 제시합니다. 그들은 우리의 감정이 단일하고 균일한 힘으로 작용하는 것이 아니라고 제안합니다. 대신, 감정은 뇌가 크기를 처리하는 방식을 형성하는 두 가지 뚜렷한 제어를 통해 작동합니다. 첫 번째 제어는 생리적 흥분이나 각성 수준인 각성(arousal)에 의해 주도됩니다. 두 번째는 감정의 긍정적 또는 부정적 성질인 정서가(valence)에 의해 주도됩니다. 연구진은 각성이 뇌의 신경 네트워크 내에서 경쟁을 강화하는 역할을 하는 반면, 정서가는 시스템의 전반적인 추진력이나 에너지에 대한 부스트 역할을 한다고 주장합니다. 연구진은 이러한 정서 상태를 뇌가 숫자를 세는 컴퓨터 모델에 매핑함으로써, 높은 각성이 단순히 우리의 추정치를 위나 아래로 이동시키는 것이 아님을 발견했습니다. 대신, 높은 각성은 우리가 정확하게 인지할 수 있는 숫자의 범위를 축소시켜, 작은 수치는 거의 영향을 받지 않은 채 큰 수량은 심각하게 과소평가하게 만듭니다.

이 아이디어를 테스트하기 위해, 연구진은 숫자를 추정하는 뇌의 부분을 모방하도록 설계된 신경 네트워크의 디지털 시뮬레이션을 구축했습니다. 이 네트워크는 서로 협력하면서도 동시에 이웃한 단위들을 억제하는 많은 단위들로 구성되어 있습니다. 이러한 설정은 자연스러운 경쟁을 만들어냅니다. 즉, 너무 많은 단위가 동시에 활성화되려고 하면 서로를 상쇄하게 됩니다. 모델은 기능하기 위해 두 가지 조절 가능한 설정을 기반으로 합니다. 한 설정은 단위들이 서로를 얼마나 강하게 억제하는지를 제어하고, 다른 설정은 단위들이 활성화되도록 얼마나 강하게 유도되는지를 제어합니다. 연구진은 각성의 개념을 억제 설정에, 정서가의 개념을 추진 설정에 매핑했습니다. 시뮬레이션에서 각성을 높이는 것은 단위들이 이웃을 더 공격적으로 억제하게 함으로써, 결과적으로 무엇을 셀 것인지에 대한 임계값을 높이는 것을 의미했습니다.

시뮬레이션을 실행했을 때, 단순하고 균일한 정서적 변화라는 생각에 도전하는 명확한 패턴이 나타났습니다. 연구진이 모델에서 각성 설정을 높였을 때, 시스템은 단순히 숫자를 세는 데 작은 오류를 범하는 것에 그치지 않았습니다. 대신, 그것은 큰 숫자를 표현하는 능력을 붕괴시켰습니다. 보통 4개나 5개 정도까지의 작은 집합에 대해서는 모델이 정확성을 유지하며 올바르게 계속 숫자를 셌습니다. 그러나 항목의 수가 커짐에 따라, 고조된 경쟁으로 인해 네트워크는 전체를 놓치기 시작했습니다. 한 특정 테스트에서, 연구진이 각성 수준을 약간 높였을 때, 50개 항목에 대한 모델의 추정치는 거의 35 가까이 떨어졌습니다. 시스템은 여전히 작동하고 있었지만, 그 큰 숫자를 표현할 능력을 상실한 상태였습니다. 내부 경쟁이 너무 치열해지자 네트워크는 더 큰 양을 표현하기 위해 필요한 활동 패턴을 유지할 수 없었습니다.

이 발견은 각성이 지각의 창을 좁히는 필터 역할을 한다는 점을 시사합니다. 그것은 현실을 균일하게 왜곡하는 것이 아니라, 오히려 처리할 수 있는 크기의 범위를 제한합니다. 모델은 이 효과가 매우 선택적임을 보여주었습니다. 작은 집단을 세는 데 전혀 영향을 주지 않았던 것과 동일한 각성의 증가가 큰 집단에 대해서는 대규모의 과소평가를 초상했습니다. 이는 네트워크에 특정 한계, 즉 내부 경쟁이 너무 강해져서 안정적인 표현을 유지할 수 없는 파괴점이 있기 때문에 발생합니다. 각성이 시스템을 이 한계 너머로 밀어붙이면, 정보는 작업 기억에서 단순히 사라져 버립니다. 연구진은 이 붕괴에 대한 정확한 수학적 경계를 계산하여, 항목의 집합이 클수록 각성이 높아질 때 더 쉽게 소실된다는 것을 보여주었습니다.

연구는 또한 긍정적 또는 부정적 성질인 정서가 이 과정과 어떻게 상호작용하는지 탐구했습니다. 그들은 정서가가 일종의 균형추 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 네트워크의 추진력이나 에너지를 증가시키는 긍정적인 정서 상태는 시스템이 다룰 수 있는 숫자의 범위를 약간 확장하여, 높은 각성의 좁히는 효과로부터 어느 정도 보호를 제공할 수 있습니다. 반대로, 부정적인 상태는 이 추진력을 감소시켜 시스템을 정보 손실에 더욱 취약하게 만듭니다. 그러나 연구진은 각성의 주요 효과는 범위의 수축이라는 점이며, 이 효과는 정서가 긍정적이든 부정적이든 관계없이 견고하게 나타난다는 점에 주목했습니다. 핵심적인 결론은 뇌의 계산 능력이 단순히 주의력의 문제가 아니라, 경쟁과 추진 사이의 취약한 균형이며, 높은 각성이 경쟁을 강화함으로써 이 균형을 깨뜨린다는 것입니다.

이러한 결과는 왜 우리가 스트레스를 받거나 흥분할 때 숫자를 잘못 세거나 시간의 흐름을 놓칠 수 있는지 이해하는 새로운 방법을 제공합니다. 그것은 우리의 뇌가 단순히 "꺼진" 상태이거나 무작위적인 실수를 하는 것이 아닙니다. 대신, 우리의 정서 상태가 지각의 내부 기계를 능동적으로 재구성하여, 우리가 마음속에 담을 수 있는 범위 자체를 좁히고 있는 것입니다. 연구진은 자신들의 발견을 각성이 단순히 모든 것을 증폭시키거나 전역적인 이득(gain)으로 작용한다는 기존 이론들과 비교했습니다. 그들의 시뮬레이션은 만약 각성이 그런 단순한 방식으로 작동했다면, 오류가 모든 숫자에서 매끄럽고 일관되게 나타났을 것임을 보여주었습니다. 그들의 모델이 큰 숫자에 대해 갑작스럽고 선택적인 붕괴를 만들어냈다는 사실은, 각성이 경쟁을 증가시킴으로써 게임의 규칙을 근본적으로 바꾼다는 더 복잡한 관점을 뒷받침합니다.

또한 연구는 이러한 판단을 내리는 데 얼마나 오래 걸리는지를 조사했습니다. 그들은 네트워크가 높은 각성 상태에 있을 때, 특히 항목의 집합이 클 때 답을 내리는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸린다는 것을 발견했습니다. 이는 증가된 내부 노이즈와 경쟁 속에서 뇌가 안정적인 패턴을 찾기 위해 고군분투하고 있음을 시사합니다. 이러한 지연은 큰 숫자에 대한 급격한 정확도 상실과 결합되어, 정서가 지각을 변화시키는 독특한 특징을 만들어냅니다. 그것은 특정한 실패의 패턴입니다. 작은 숫자는 명확하게 유지되지만, 큰 숫자는 사라지며, 숫자를 세는 과정은 느려집니다.

이 연구는 직접적인 인간 실험보다는 컴퓨터 시뮬레이션에 기반하고 있지만, 결과는 심리학의 기존 관찰 내용들과 일치합니다. 예를 들어, 이전 연구들은 공포스러운 얼굴이 숫자의 과소평정으로 이어진다는 것을 보여주었는데, 이는 높은 각성이 큰 양의 상실을 초록한다는 모델의 예측과 일치합니다. 연구진은 자신들의 모델이 인간의 행동, 특히 시간 지각에 관한 발견과 비교하여 검증되어야 할 가설임을 인정합니다. 그들은 만약 이 이론이 옳다면, 인간 피험자들에게서 단순한 추정치의 이동이 아니라 이러한 특정한 범위 수축 패턴이 나타나야 한다고 지적합니다.

궁극적으로 이 연구는 감정이 우리의 지각을 어떻게 형성하는지에 대한 상세하고 기계적인 설명을 제공합니다. 이 연구는 감정이 우리에게 "영향을 미친다"는 막연한 아이디어를 넘어, 감정이 어떻게 뇌의 계산 시스템을 재구성하는지 정확히 보여줍니다. 경쟁과 추진라는 두 개의 분리된 제어를 식별함으로써, 연구진은 왜 높은 각성이 작은 숫자는 그대로 둔 채 큰 양을 놓치게 만드는지에 대한 틀을 제공합니다. 이는 우리의 정서 상태가 단순히 배경적인 느낌이 아니라, 우리가 세상을 측정하고 이해하는 방식에 능동적으로 참여하며, 우리가 지각할 수 있는 범위 자체를 줄일 수 있는 존재라는 점을 상기시켜 줍니다.