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- 진단 목적으로 해마와 기타 뇌 영역에 전극을 이식한 뇌전증 환자 17명의 뇌 활동 분석
- 이전에 학습한 규칙을 추상화,적용가능 한 자들만 두뇌 활동에서 기하학적 패턴 보여
- 다양한 뉴런 그룹이 동시에 활성화돼 마치 날아다니는 새처럼 질서정연한 형태 이뤄
- 추상적 사고와 추론에 인간 해마가 관여한다는 최초의 직접적인 증거

우리의 뇌가 결론을 내리는 방법
뇌파는 추상적 사고의 학습 과정을 드러낸다.

고정관념에서 벗어나 생각하기:
우리의 지식을 새로운 상황에 적용하려면 추상적으로 생각해야 한다. 이렇게 하면 신경과학자들이 발견한 대로 뇌의 기하학적 신경 패턴에 반영된다. 우리의 신경 세포는 새의 대형隊形처럼 조화롭게 협력해 알려지지 않은 상황에서 우리의 경험을 바탕으로 현명한 결정을 내린다. 이 학습 과정은 해마에서 발생한다. 

▲ 뉴욕과 런던에는 서로 다른 교통 규칙이 적용된다. 우리의 두뇌는 이에 반응하여 기존 지식을 추상화하고 새로운 상황에 대한 규칙을 도출해야 한다. © Columbia’s Zuckerman Institute

우리는 처음으로 런던 교통을 탐색할 때 영국의 익숙하지 않은 왼쪽 교통에 적응해야 한다. 이를 위해서는 이전에 배운 교통 규칙을 정신적으로 뒤집고 이를 새로운 상황에 적용해야 한다. 예를 들어, 보행자로서 우리는 길을 건널 때 오른쪽을 먼저 쪽을 봐야 하고, 운전자로서 우리는 반대편에서 운전해야 한다.

“운전석에 집중하고 다가오는 교통에 방해가 되지 않으려면 추상화와 추론이 필요하다”고 로스앤젤레스 Cedars-Sinai Medical Center의 수석 저자인 Ueli Rutishauser는 설명했다. “추상화를 통해 우리는 관련 없는 세부 사항을 무시하고 조치를 취하는 데 필요한 정보에 집중할 수 있다. 추론은 우리 환경에 대해 지식을 바탕으로 추측하기 위해 지식을 적용하는 것이다.” 따라서 새로운 상황에서 적절하게 행동하려면 두 가지 인지 과정이 모두 필요하다. “둘 다 사고와 학습의 중요한 부분이다”고 Rutishauser는 말했다.

규칙이 바뀌면 뇌에서는 어떤 일이 일어나는가?

하지만 우리 뇌에서는 무슨 일이 일어나는 걸까요? Rutishauser와 Cedars-Sinai Medical Center의 첫 번째 저자인 Hristos Courellis가 이끄는 팀이 현재 이 문제를 조사했다. 이를 위해 신경과학자들은 진단 목적으로 해마와 기타 뇌 영역에 전극을 이식한 뇌전증 환자 17명의 뇌 활동을 분석했다. 이를 통해 팀은 개별 뉴런에 대한 반응을 기록할 수 있었다.

▲ 병원에서 뇌전증 환자를 진료하고 있는 신경과 의사 Chrystal Reed. 신경과학자들은 뇌에 이식된 전극을 사용하여 뇌 활동을 조사했다. © Cedars-Sinai

측정하는 동안 테스트 대상자들은 일치하는 작업을 완료했다. 사람, 원숭이, 자동차, 멜론의 사진 4장을 반복해서 보여주었다. 피드백을 통해 테스트 대상은 이러한 모티프 중 왼쪽 또는 오른쪽 버튼을 눌러야 하는 것을 배웠다. 연구원들은 반대 버튼이 "올바른" 버튼이 되도록 규칙을 바꾸었지만, 피험자에게 알리지 않았다. 그들은 이전에 배운 규칙을 새로운 상황에 적용하고 그로부터 결론을 도출해야 했다.

뇌의 기하학적 패턴

예상한 대로 모든 테스트 대상이 규칙 변경에 똑같이 잘 대처한 것은 아니다. 일부는 전환 후 이미지와 버튼의 기본 원리가 무엇인지 빠르게 추론할 수 있었지만 다른 일부는 그렇게 하지 못했다.

측정 데이터에 대한 AI 지원 평가에서 알 수 있듯이 이는 테스트 대상의 두뇌에도 반영되었다. 이전에 학습한 규칙을 추상화하고 적용할 수 있는 사람들만이 두뇌 활동에서 놀라운 기하학적 패턴을 보였다. 다양한 뉴런 그룹이 동시에 활성화돼 마치 날아다니는 새처럼 질서정연한 형태를 이루고 있었다.

Courellis와 그의 동료들은 이러한 뉴런이 작업에 필요한 정보를 처리하고 이를 새로운 상황에 적용할 수 있도록 이러한 방식으로 조정된다는 결론을 내렸다. 따라서 신경 패턴은 추상적 사고와 결론을 내리는 데 기본이 된다.

중심 역할로서의 해마

그러나 일부 피험자는 연구원이 규칙 변경 사항을 명시적으로 설명한 후에만 문제를 해결할 수 있었다. 놀랍게도 아무런 설명이 필요하지 않은 피험자들과 비슷한 뇌파가 발생했다. “언어적 지시를 받은 참가자들은 경험적 학습을 바탕으로 추론하는 능력을 가진 참가자들과 동일한 신경 구조를 가지고 있었다”고 Cedars-Sinai 병원의 공동 저자인 Adam Mamelak이 보고했다. "이것은 언어 입력이 경험을 통해 학습하는 데 오랜 시간이 걸리는 신경 표현을 생성할 수 있음을 보여준다.“

이 데이터에는 또 다른 놀라움도 있었다. 추상적 사고를 하는 동안 뇌 활동의 특정 패턴이 해마에서만 발생했다는 것이다. 이 영역은 뇌의 중심 깊숙한 곳에 위치하고 있으며 무엇보다도 장기 기억과 공간적 방향 감각에 매우 중요하다. 분명히 해마는 추상적인 사고와 전달 기술에서도 예상보다 훨씬 더 큰 역할을 한다. “이것은 추상적 사고와 추론에 인간 해마가 관여한다는 최초의 직접적인 증거다”고 Rutishauser는 말했다.

신경 질환에 대한 유용한 통찰력

이 연구는 우리의 뇌가 어떻게 변화하는 조건에 유연하게 반응하고 경험을 통해 학습하면서 새로운 작업을 수행할 수 있는지 보여준다. 이러한 발견은 미래에 기억력과 의사결정 능력의 결핍과 관련된 신경학적, 정신질환을 더 잘 치료하는 데 도움이 될 수도 있다.

“알츠하이머병, 강박 장애, 정신분열증을 포함한 많은 신경 질환이 뇌의 이 부위에 영향을 미친다. 우리의 결과는 이러한 환자들에게서 나타나는 잘못된 의사결정을 설명하는 데 도움이 될 수 있다”고 Rutishauser는 말했다.
(Nature, 2024; doi: 10.1038/s41586-024-07799-x)
출처: 컬럼비아 대학교 Cedars-Sinai Medical Center

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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