Attention alters numerosity tuned responses in the human brain

인간의 뇌는 패턴 인식의 명수이며, 혼돈 속에서 의미를 찾기 위해 끊임없이 세상을 범주로 분류한다. 그중 가장 근본적인 도구 중 하나는 시각적 장면 속에 얼마나 많은 항목이 존재하는지를 파악하는 단순한 감각인 '수량성(numerosity)'을 인지하는 능력이다. 이것은 단순히 동전이나 사과를 세는 수학적 기술이 아니라, 군중의 규모나 새 떼의 수를 즉각적으로 가늠할 수 있게 해주는 기본적인 감각 기능이다. 수십 년 동안 과학자들은 이 능력이 마치 카메라처럼 물체가 나타나는 대로 숫자를 수동적으로 기록하는 방식으로 작동한다고 믿었다. 그러나 현실 세계에서 우리의 마음은 결코 수동적이지 않다는 것을 우리는 알고 있다. 우리는 바쁜 방 안에서 한 친구를 추적하거나 계단의 수를 세는 것처럼, 문제를 해결하기 위해 특정 대상에 끊임없이 집중한다. 이는 흥고로운 질문을 던진다. 우리가 특정 숫자에 주의를 기울이기로 결정할 때 뇌의 내부 계산 메커니즘이 변하는 것인가, 아니면 단순히 동일한 신호의 볼륨을 높이는 것뿐인가?

위트레흐트 대학교와 네덜란드 뇌과학 연구소의 한 연구자는 살아있는 인간의 뇌를 직접 들여다봄으로써 이 질문에 답하고자 했다. 그들은 숫자를 나타내는 신경 세포 집단이 우리의 목표에 따라 형태를 바꾸는 것처럼 유연하게 재구성되는지 알고 싶어 했다. 이를 위해 그들은 매우 미세한 뇌 세포 집단의 활동까지도 감지할 수 있을 만큼 민감한 7 테슬라 자기공명영상(MRI) 스캐너를 사용했다. 연구진은 피험자들에게 점들의 집단이 표시된 화면을 보게 했다. 어떤 세션에서는 피험자들에게 두 개나 여섯 개와 같이 특정 숫자의 점을 찾는 데 집중하라는 지시를 내렸다. 다른 세션에서는 숫자를 완전히 무시하고 점의 색상과 같은 다른 특징에 집중하도록 요청했다. 연구진은 뇌가 이러한 다양한 지시에 어떻게 반응하는지 매핑하며, 뇌의 내부적 '조율(tuning)'이 어떻게 변화하는지 살펴보았다.

결과는 뇌가 단순히 숫자를 세고 나서 그것을 보기로 결정하는 것이 아님을 보여주었다. 주의를 기울이는 행위 자체가 뇌의 수치 지도를 능동적으로 다시 쓴다. 피험자가 특정 목표 숫자에 집중했을 때, 평소 그 숫자에 반응하던 뇌 세포들은 더욱 정밀해지고 더 활발해졌다. 하지만 가장 놀라운 발견은 뇌 세포들이 실제로 선호도를 이동시켰다는 점이다. 만약 어떤 사람이 숫자 여섯을 관찰하도록 요청받았다면, 원래 작은 숫자를 선호하던 뇌 세포들이 여섯을 향해 초점을 옮기기 시작했다. 마치 뇌의 내부 다이얼이 사람이 찾고 있는 특정 숫자에 고정되도록 돌려지는 것과 같았다. 이러한 변화는 목표 숫자가 화면에 물리적으로 존재하지 않을 때도 일어났으며, 이는 이 변화가 단순히 시각적 입력에 의한 것이 아니라 사람의 내부적 목표에 의해 유발되었음을 증명한다.

이러한 변형은 뇌 전체에서 균일하게 나타나지 않았다. 시각 처리가 시작되는 뇌의 뒷부분에서 계획과 의사결정이 이루어지는 앞부분으로 정보가 이동할수록 그 변화는 더 강해졌다. 초기 시각 영역에서는 변화가 미미했다. 그러나 신호가 두정엽과 전두엽 영역으로 이동함에 따라 뇌의 초점은 믿을 수 없을 정도로 날카로워졌다. 연구진은 높은 수준의 영역에 있는 뇌 세포들이 초점을 좁혀, 다른 모든 것을 무시하고 목표 숫자에 대해 매우 전문화된다는 것을 발견했다. 이는 뇌가 광범위하고 자동적인 양의 추정을 시작한 다음, 필요에 따라 상향식 제어(top-down control)를 사용하여 그 추정치를 당면한 과제에 적합한 정밀한 도구로 정교화하는 계층적 시스템을 갖추고 있음을 시사한다.

이 과정이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 연구진은 주의를 조명(spotlight)처럼 취급하는 계산 모델을 사용했다. 그들은 뇌가 단순히 목표 숫자의 신호를 증폭하는 것이 아니라, 숫자 선호도의 전체 분포를 그 목표를 향해 끌어당긴다는 것을 발견했다. 각자 숫자가 적힌 표지판을 들고 있는 군중을 상상해 보라. 만약 당신이 군중에게 숫자 여섯에 집중하라고 요청한다면, 다섯, 일곱, 혹은 여덟을 들고 있는 사람들은 물리적으로 자신의 표지판을 여섯에 더 가깝게 옮길 것이고, 숫자 하나를 들고 있는 사람 또한 여섯에 가깝게 움직일 것이다. 이 '끌림(attraction)' 효과는 수천 개의 뇌 세포에 걸쳐 측정되었으며, 피험자의 목표와 완벽하게 일치하는 체계적인 이동을 보여주었다. 또한 이 메커니즘은 숫자에만 국한된 것이 아니다. 우리가 공간상의 특정 위치에 시선을 집중할 수 있게 해주는 것과 동일한 원리가 추상적인 양에 마음을 집중할 수 있게 해준다.

연구는 왜 뇌가 숫자 2보다 숫자 6에 더 강하게 반응했는지도 탐구했다. 연구진은 숫자 2가 인간이 세지 않고도 즉각적으로 인식할 수 있는 범위, 즉 '직관적 수 세기(subitizing)'의 영역에 속한다는 점에 주목했다. 반면 숫자 6은 추정과 더 많은 정신적 노력을 요구한다. 뇌가 더 크고 덜 자동적인 숫자를 추적하기 위해 더 많이 노력해야 했기 때문에 주의력의 이동이 더 두드러지게 나타났다. 또한, 인간의 뇌는 자연스럽게 큰 숫자보다 작은 숫자에 맞춰진 세포가 더 많다. 피험자들이 여섯에 집중했을 때, 거의 모든 뇌 세포가 그 목표에 도달하기 위해 한 방향으로 끌려 들어갔기에 강력하고 통일된 신호가 만들어졌다. 반면 숫자가 2일 때는 세포들이 이미 목표 근처에 있었기에 그 변화가 덜 극적이었다.

이러한 발견은 뇌의 수량 감각이 고정되고 수동적인 시스템이라는 기존의 관점에 도전한다. 대신, 뇌는 우리의 필요에 따라 실시간으로 재구성될 수 있는 역동적이고 유연한 구조를 가진 것으로 보인다. 연구는 우리가 물리적 세계를 항해하는 데 도움을 주는 것과 동일한 주의 메커니즘이 우리의 추상적 사고 또한 지배한다는 것을 입증한다. 뇌가 수치 표현을 능동적으로 재형성할 수 있음을 보여줌으로써, 이 연구는 우리가 암산이나 값 비교와 같은 복잡한 과업을 어떻게 수행하는지에 대한 새로운 창을 제공한다. 이는 우리의 수학 능력이 단순히 머릿속에 계산기를 가지고 있는 것이 아니라, 우리에게 가장 필요한 숫자에 맞춰 자신의 센서를 유연하게 조율할 수 있는 뇌를 가지고 있는 것임을 시사한다. 이 연구는 기초적인 감각 지각과 고차원적 인지 사이의 간극을 메우며, 집중하는 능력이 모든 사고 영역에서 작동하는 보편적인 도구임을 보여준다.