Reference frames reverse biases in human heading perception

우리가 세상을 가로질러 움직일 때, 우리의 눈은 단순히 정지된 사진을 보는 것이 아니라 '옵틱 플로우(optic flow)'라고 알려진 몰아치는 시각 정보의 흐름을 봅니다. 기차가 플랫폼을 떠나갈 때 기차역 승강장에 서 있다고 상상해 보십시오. 선로와 역의 벽들이 당신 앞의 한 점으로부터 바깥쪽으로 뻗어 나가는 것처럼 보일 것입니다. 이 시각적 패턴은 우리 뇌가 우리가 어느 방향으로 이동하고 있는지를 파악하는 데 사용하는 주요 단서이며, 과학자들은 이를 '헤딩(heading, 진행 방향)'이라고 부릅니다. 수십 년 동안 연구자들은 뇌가 정확히 어떻게 이 방향을 계산하는지 지도화하려고 노력해 왔지만, 혼란스러운 벽에 부딪혔습니다. 어떤 실험들은 사람들이 자신의 이동 방향을 추측할 때, 마치 안쪽으로 끌려가는 것처럼 중심을 향해 약간 치우치는 경향이 있다고 제안했습니다. 반면 다른 실험들은 다른 설정을 사용하여, 사람들이 중심에서 벗어나 바깥쪽으로 밀려나는 듯한 모습을 보였습니다. 이러한 모순은 과학자들로 하여금 인간의 뇌가 단순히 신뢰할 수 없는 것인지, 아니면 실험 설계 방식이 참가자들을 속이고 있는 것인지 의구심을 갖게 했습니다.

마르부르크 대학교의 레나테 라이제너거(Renate Reisenegger)가 이끄는 연구팀은 이제 이 수십 년 된 수수께van를 풀 수 있는 해결책을 제시했습니다. 그들은 뇌가 일관성이 없는 것이 아니라, 답은 전적으로 그 사람에게 이동 방향을 어떻게 보고하도록 요청하느냐에 달려 있다고 제안합니다. 최근 한 과학 저널에 발표된 이 연구는 우리가 어떤 정신적 관점을 채택하느냐—즉, 자신의 관점에서 움직임을 생각하느냐, 혹은 분리된 지도와 같은 관점에서 생각하느냐—에 따라 오류의 방향이 근본적으로 달라진다는 것을 밝혀냈습니다. 연구진은 동일한 사람들에게 정확히 동일한 시각 장면을 보여주면서도 두 가지 다른 방식으로 답하게 함으로써, 규칙을 바꾸는 것만으로도 뇌가 안쪽으로 끌리거나 바깥쪽으로 밀려날 수 있음을 보여주었습니다.

이 아이디어를 테스트하기 위해 연구팀은 관찰자를 감싸는 거대한 곡면 스크린을 사용하여 독특한 실험실 설비를 구축했는데, 이는 약 224도의 시야를 제공합니다. 이 '경계가 없는' 디스플레이를 통해 참가자들은 시각적인 경계에 방해받지 않고, 움직이는 점들로 이루어진 평평한 지면 위를 걷는 광범위하고 몰입감 넘치는 시뮬레이션을 볼 수 있었습니다. 연구의 첫 번째 부분에서 37명의 자원봉사자들은 이러한 자기 운동(self-motion) 영상을 시청한 후, 자신이 어디로 향하고 있다고 생각하는지 보고했습니다. 연구진은 이 과업을 두 가지 뚜렷한 모드로 나누었습니다. 첫 번째 모드인 '자기중심적(egocentric)' 조건에서 참가자들은 자신의 관점에서 방향을 보고하며, 자신의 즉각적인 시야를 나타내는 수평선 위의 한 점을 가리켰습니다. 두 번째 모드인 '알로센트릭(allocentric, 외적 기준계)' 조건에서 참가자들은 새가 위에서 내려다보는 것처럼 상공의 시점을 상상하고, 원형 호 또는 전체 원 위에 자신의 방향을 표시하도록 요청받았습니다.

결과는 놀랍고 즉각적이었습니다. 참가자들이 자신의 관점에서 보고할 때는, 그들의 추측이 일관되라고 정면 방향을 향해 편향되었습니다. 만약 실제로 약간 왼쪽으로 이동하고 있었다면, 그들은 정면 쪽으로 더 가깝게 보고했습니다. 이것은 '구심성 편향(centripetal bias)'이라고 알려져 있습니다. 그러나 바로 동일한 사람들이 '새의 시점'으로 전환하여 알로센트릭 프레임에서 보고했을 때는, 편향이 완전히 뒤집혔습니다. 이제 그들의 추측은 중심에서 멀어졌습니다. 만약 그들이 약간 왼쪽으로 이동하고 있었다면, 그들은 훨씬 더 왼쪽으로 이동하고 있다고 보고했습니다. 시각적 자극은 동일했고 답변의 범위도 동일했음에도 불구하고 이러한 '원심성 편향(centrifugal bias)'이 나타났습니다. 연구진은 이전의 일부 이론들이 제안했던 것처럼 답변 범위의 크기가 원인인지 테스트했으나, 원의 크기를 변경해도 편향의 방향은 변하지 않는다는 것을 발견했습니다. 중요한 것은 오직 참조 체계(frame of reference)였습니다.

이 과정에서 뇌 내부에서 어떤 일이 일팡는지 이해하기 위해, 연구팀은 21명의 다른 자원봉사자를 대상으로 두 번째 실험을 수행했습니다. 이번에는 표준 컴퓨터 모니터를 사용하였고, 뇌파(EEG)를 사용하여 참가자들의 뇌 활동을 기록했습니다. EEG는 두피의 전기 신호를 측정합니다. 참가자들은 동일한 움직이는 점들을 시청했지만, 방향을 가리키는 대신 기억된 헤딩의 왼쪽이나 오른쪽에 짧은 섬광이 나타났는지 빠르게 결정해야 했습니다. 결정적으로, 각 시행 전에는 그들이 자신의 관점을 사용할지 아니면 새의 시점을 사용할지를 알려주는 큐(cue)가 나타났습니다. 연구진은 큐가 나타난 시점부터 답을 하기 전까지, 즉 뇌가 시각 정보를 변환하기 위해 준비하는 시간대에 집중했습니다.

뇌 스캔 결과, 과업에 따라 명확한 활동 차이가 나타났습니다. 참가자들이 새의 시점으로 답할 준비를 할 때, 그들의 뇌는 머리 뒷부분과 윗부분에서 세타(theta) 및 알파(alpha) 주파수 대역의 리드미컬한 전기적 활동이 유의미하게 증가하는 것을 보였습니다. 이러한 활동 패턴은 회대상 피질(retrosplenial cortex)이나 해마와 같이 항법 및 공간 기억과 관련된 뇌 영역과 연관되어 있습니다. 반면, 자신의 관점에서 답할 준비를 할 때는 이러한 추가적인 활동의 급증이 나타나지 않았습니다. 이는 뇌가 자기 중심적 뷰에서 세계 중심적 지도로 전환하기 위해 필요한 정신적 체조를 수행하는 데 더 많은 노력을 기울여야 함을 시사하며, 이 추가적인 처리 단계가 바깥쪽 편향을 유발하는 원인일 가능성이 높습니다.

마지막으로, 연구진은 감각 정보와 과거의 기대를 결합하는 방식에 기반한 컴퓨터 모델을 사용하여 이러한 발견을 설명했습니다. 이 모델은 뇌의 내부 '지도'가 과업에 따라 어떻게 변하는지를 보여주었습니다. 사람들이 자신의 관점에서 움직임을 생각할 때, 그들은 방금 본 특정 범위의 움직임에 크게 의존하며, 이는 추정치를 중심 쪽으로 끌어당깁니다. 하지만 새의 시점으로 전환하면, 뇌는 전체 원을 가로질러 어느 방향으로든 움직임이 일어날 수 있다고 가정하며 더 넓고 평평한 기대를 채택하는 것으로 보입니다. 이러한 기대의 변화는 뇌의 자연스러운 정면 움직임에 대한 민감성과 결합하여 바깥쪽으로 밀어내는 힘을 만들어냅니다. 연구는 헤딩 연구의 역사에서 나타난 상충하는 결과들이 인간 지각의 결함 때문이 아니라, 서로 다른 좌표계를 사용하여 문제를 해결하도록 뇌에 요청했기 때문임을 결론지었습니다. 참조 체계 자체가 편향을 유발한다는 점을 인식함으로써, 연구팀은 시각 과학의 오랜 미스터리를 해결했으며, 우리가 질문을 던지는 방식이 뇌가 내놓는 답을 근본적으로 바꿀 수 있음을 보여주었습니다.