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- 이전 뇌 스캔 연구; 듣기와 말하기에 활성화되는 뇌 네트워크가 두 언어 모두에서 겹쳐.
- 이중언어 사용자의 개별 뉴런 수준에서, 실시간 어떻게 기능하는지 조사한 최초 연구
- "의미가 비슷한 단어는 두 언어 모두에서 유사한 신경 반응 패턴을 유발한다"
- 각 언어는 회전된 신경 판독 축을 통해 이 공유된 의미 공간에 접근

이중언어 사용은 어떻게 가능할까

한 연구에 따르면 이중언어 사용자의 뇌에서는 두 언어의 단어가 동일한 정신적 지도를 공유한다. 언어별 뉴런은 이러한 지도를 서로 다른 관점에서 읽어내어 언어가 섞이지 않고 유연하게 언어를 전환할 수 있도록 한다. 

▲ 이중언어 사용자의 뇌는 서로 다른 언어의 단어 의미를 유사한 패턴에 따라 부호화한다. 사진: © AI 생성 (ChatGPT)

어린 시절부터 두 개 이상의 언어를 접하며 자란 사람들은 대개 모국어 사이를 자연스럽게 전환할 수 있다. 하지만 뇌는 어떻게, 그리고 어디에서 서로 다른 언어의 단어 의미를 처리하는 것일까? 이중언어 사용자를 대상으로 한 이전 뇌 스캔 연구에서는 듣기와 말하기에 활성화되는 뇌 네트워크가 두 언어 모두에서 겹친다는 사실이 밝혀졌다.

텍사스 베일러 의과대학의 신위안 얀(Xinyuan Yan)이 이끄는 연구팀은 "이러한 연구 결과는 뇌가 어떻게 신경 세포 수준에서 서로 다른 언어의 상응하는 개념들을 연결하면서 동시에 기능적 분리를 유지하는지를 설명하지 못한다"고 지적했다.

이중언어 사용자의 뇌에 대한 실시간 통찰

이 질문에 답하기 위해서는 뇌 내부를 측정해야 하는데, 이는 연구 목적만으로는 윤리적으로 정당화될 수 없는 침습적인 절차다. 따라서 이번 연구는 심각한 뇌전증으로 인해 뇌에 전극을 이식받고 이중언어 실험에 참여하기로 동의한 네 명의 이중언어 사용자를 대상으로 한 연구 결과를 바탕으로 했다. 모든 참가자는 영어와 스페인어를 유창하게 구사하며 성장했다.

얀은 "이번 연구는 이중언어 사용자의 뇌가 개별 뉴런 수준에서, 그것도 실시간으로 어떻게 기능하는지 조사한 최초의 연구다"고 말했다. 연구팀은 해마에 초점을 맞춰 분석했다. 해마는 기억의 중추일 뿐만 아니라 단어의 의미를 신경학적으로 부호화하는 영역이다. 참가자들이 영어와 스페인어로 된 텍스트를 듣고, 문장을 소리 내어 읽고, 자유로운 대화를 나누는 동안, 얀 박사와 동료 연구진은 각 단어에 대해 어떤 해마 뉴런이 활성화되는지, 그리고 이러한 활성화 패턴이 다른 언어의 패턴과 얼마나 일치하는지 관찰했다. 

서로 다른 뉴런, 유사한 패턴

연구 결과, 참가자들이 서로 다른 언어로 같은 단어를 듣거나 발음할 때 해마의 신경 세포 중 극히 일부만이 동일하게 반응하는 것으로 나타났다. 따라서 대부분의 개별 뉴런은 언어 특이적이다. 하지만 영어 단어 "dog"와 스페인어 단어 "perro"(둘 다 개를 의미함)에 의해 활성화되는 뉴런은 달랐지만, 예측 가능한 패턴이 나타났다. 연구팀은 "의미가 비슷한 단어는 두 언어 모두에서 유사한 신경 반응 패턴을 유발한다"고 설명한다.

이에 따르면, 뇌는 단어의 의미를 신경 지도에 배열하는데, 예를 들어 "dog"와 "wolf"는 서로 가까운 위치에 있고, 의미적으로 거리가 먼 "fork"는 지도상의 다른 영역에 위치한다. 연구진은 이 지도가 언어 간에 매우 일관성이 있어서, 주변 단어의 신경 부호화와 영어 단어의 신경 부호화를 알고 있으면 스페인어 단어의 위치를 ​​예측할 수 있다는 사실을 발견했다.
얀과 그의 동료들은 "뇌는 개별 뉴런이 개별 단어를 번역하는 것이 아니라, 뉴런 그룹이 활동을 조절하여 두 언어에서 동의어에 대해 유사한 패턴을 생성하는 데 의존한다"고 설명했다.

서로 다른 관점에서 읽기

뇌는 유사한 패턴에도 불구하고 서로 다른 언어의 의미가 명확하게 구분되도록 하기 위해 영리한 방법을 개발했다. 연구진은 "각 언어는 회전된 신경 판독 축을 통해 이 공유된 의미 공간에 접근한다"며, "마치 다른 창문에서 방을 들여다보는 것과 같다. 방 안의 모든 것은 같지만, 관점이 다르다. 이러한 판독 방식의 차이는 언어 간 간섭을 방지하는 데 도움이 될 수 있다"고 설명했다.

얀의 동료인 벤자민 헤이든(Benjamin Hayden)은 "이번 연구는 뇌가 여러 언어를 학습하도록 설계되었음을 보여준다"며 "뇌는 단어 간의 관계를 파악한 후에는 이러한 관계를 여러 언어에 적용할 수 있다"고 말했다. 연구팀은 또한 100개 이상의 언어를 이해하도록 훈련된 대규모 언어 모델인 mBERT와 결과를 비교했다. 그 결과, mBERT 역시 우리 뇌의 해마에 있는 것과 매우 유사한 언어 간 의미 지도에서 단어 간의 관계를 파악하는 것을 발견했다.

출처: Xinyuan Yan (Baylor College of Medicine, Houston, Texas) et al., Cell, doi: 10.1016/j.cell.2026.05.020

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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