2 인지뇌과학적연구의소개 고려대학교 김학진 1. 서론 1) 인지심리학은뇌가없었고 (Brainless), 뇌과학은마 음이없었다 (Mindless). 1980 년 Mario Bunge 박사가주장한위의글은인지 뇌과학이나타나게된중요한이유를함축적으로제시하고있다. 인간의심리과정을컴퓨터의정보처리과정으로비유해왔던인지심리학은인간뇌의기능을이해하기위해그구조를이해할필요가없다는다소역설적인입장을피력해왔다. 하지만, 주로뇌손상환자들을통해꾸준히명맥을유지해온뇌과학은약 10년전부터본격적으로심리학분야에도입되기시작한뇌영상기법들에힘입어폭발적인발전을겪게되었고비로소그전성기를맞이하게되었다. 그로인해, 동물들을대상으로하는전통적인신경과학적연구들이다루던연구질문들에서벗어나지각, 기억, 정서, 그리고언어와사고등과같이좀더고등인지수준에서의정보처리과정을알아보기위한연구들이그뒤를잇게되었다. 본글에서는이렇게시작된인지뇌과학에서주로사용되는연구기법들에대해먼저간단하게알아보고인지뇌과학분야의주요연구성과들과최근연구동향등에대해서간략히소개한다. 2. 인지뇌과학의연구기법들 인지뇌과학에서는비교적역사가오래된 EEG(Electroencephalogram) 측정법이나뇌손상환자를이용한실험으로부터최근에큰각광을받고있는 FMRI (Functional Magnetic Resonance Imaging) 기법에이르기까지다양한연구기법들을사용하고있다. 동물들을이용한보다전통적인신경과학실험기법들과구분 본연구는한국과학재단을통해교육과학기술부의세계수준의연구중심대학육성사업 (WCU) 으로부터지원받아수행되었습니다 (R31-2008-000-10008-0). 하기위해인간의인지기능을연구하기위해사용되는기법들만을간략하게소개하면다음과같다. 우선가장역사가오래되었지만여전히널리사용되고있는기법은뇌손상기법 (Brain Lesion Method) 이라할수있다. 말그대로사고를당했거나또는특이질환등으로인해특정뇌부위가손상된환자들의행동방식을측정하여정상인들과비교함으로써손상된뇌부위의기능을추론하는방법이다. 이기법이손상된뇌부위와행동간의인과관계를이해하는데큰도움을주는방법이기는하나정확히원하는부위만손상된환자를구하는것이너무어렵고또얻어진행동결과가손상후적응과정을통해나타난뇌의가소성때문일가능성또한고려해야한다는단점을가지고있다. 뇌손상기법이지닌단점을극복하기위한방법으로 TMS(Transcranial Magnetic Stimulation) 기법을들수있다. 비교적최근에인지뇌과학연구기법으로사용되기시작한 TMS 는강한자기장을짧은시간동안발생시키는코일을두피에가깝게위치시켜뇌의특정부위에전류를유도시킴으로써신경세포들의활동을일시적으로방해하는방법이다. 이렇게원하는시점에그리고원하는위치의기능을조작하는것이가능하기때문에뇌손상기법에비해훨씬활용도가높은기법이라고할수있다. 하지만, 정확히원하는곳을자극하는정밀도가아직은낮은편이고또근육의자극가능성을줄이기위해자극부위를근육에서먼부위들로한정시킬수밖에없다는단점을가지고있다. EEG 측정법은비교적오랜역사를가진뇌신호측정기법으로서최근에도활발히이용되고있는연구기법이다. 두피에부착하는전극들을통해신경세포들로부터발생되는전기적신호를측정하는방법으로밀리초이하의높은시간적해상도를가지고있다. 주로심리적상태변화에따른주파수의변화를측정하는전통적인연구방법이외에도여러시행 (trial) 들에대한반응을통합하여특정사건 (event) 에반응하는뇌 인지뇌과학적연구의소개 19
반응을알아보는 ERP(Event-related Potential) 기법도최근에많이사용되고있다. 우수한시간적해상도에비해서공간적해상도는많이떨어지는편이지만최근에는 256개의전극을사용하는기기가개발되어단점을극복하려는노력이뒤따르고있다. 또한, 변연계등과같이뇌의깊숙한곳에서발생하는전기적신호들을탐지하는데에는취약하다는단점또한많은연구자들의접근을가로막는요인이되기도한다. 뇌의특정부위에위치한신경세포들이활성화될경우해당부위로혈류량이증가한다는단순하고도복잡한원리를이용한방법들중하나인 PET(Positron Emission Tomography) 가있다. PET 는주사나호흡을통해체내로주입된소량의방사선표시자를뇌주위에위치한센서들을통해탐지함으로써뇌의활동을간접적으로추론하는방법이다. 다양한표시자를통해분자수준에서의뇌활동까지시각적으로표현할수있다는강점을가진방법이지만 FMRI 에비해낮은공간적해상도수준과방사능물질을체내에주입시켜야한다는침습적 (Invasive) 요소때문에 FMRI 에비해호응도가떨어지는실정이다. PET와마찬가지로뇌혈류량의변화를이용하는기법인 FMRI(Functional Magnetic Resonance Imaging) 은활동하는신경세포들이위치한부위로산소를함유하고있는적혈구들이대량으로몰려옴에따라국소적인자기장이변화되는현상을이용해해당부위신경세포들의활동을간접적으로추론하는방법이라할수있다. PET 가지니는단점들을대부분극복한기법으로서높은수준의시간적, 그리고공간적해상도를자랑하는 FMRI 는최근에나타난갑작스런인지뇌과학의인지도상승에큰몫을담당한장본인이기도하다. 최근에개발된다양한측정기법들과분석방법들은 FMRI 의응용가능성을더욱높여주고있지만여전히신경세포의활동과 FMRI 로측정되는신호간의관계를명확히규명하지못하고있다는단점을가지고있다. 위에소개에서알수있듯이, 각각의연구기법들은고유의장점과단점들을지니고있는것을알수있다. 따라서어느하나의방법이가장최선이라는생각은옳지않으며원하는연구질문에따라적절한연구기법을선택하는것이바람직하다. 또한, 하나의연구질문에대한해답을얻기위해하나이상의기법을사용하는것도최근에실시되는인지뇌과학적연구들의새로운추세라할수있다. 3. 인지뇌과학의성과들 우리는일상생활속에서여러가지사물들을별다른노력없이쉽게지각하고인식하게된다. 그중에서도다른어떤시각자극들보다도복잡한자극인얼굴들을지각하는능력은놀라울정도로정교하고빠른것으로잘알려져있으며다른시각자극들과는다른처리경로와과정을거치는것으로믿어지고있다. 약 10년전쯤 McCarthy 박사와그동료들은이러한얼굴인식과정의핵심을밝힌연구를발표하였다. 이연구에서이후 Fusiform Face Area(FFA) 라는이름으로알려지게된특정뇌부위가사람들이얼굴자극을볼때만특별히반응한다는사실을발견하였다 [1]. 또한이후연구들에서, FFA 에서멀지않은다른부위는얼굴보다는장소, 특히집모양의사물을볼때많은반응을보이는것으로밝혀져 Parahippocampal Place Area (PPA) 라는이름이붙여지게되었다 [2]. 보다최근에발표된여러연구들은도구에반응하는뇌영역, 몸의신체에반응하는영역등각각다른범주의시각자극들에만특정적으로반응하는뇌영역들을밝히고있다. 이러한연구들은인간의지각능력의생물학적기제를밝히는데중요한기초를마련할것으로보이지만, 100 년전두개골의형태로뇌기능을추정하던골상학 (Phrenology) 의현대판이아니냐는비판도없지않은상황이다. 인간의인지능력중기억은빼놓을수없는요소이다. 인간의기억이어떻게뇌에서저장되는지에대한질문은오랜역사를가지고있지만그비밀은비교적최근에밝혀졌다. 심각한수준의간질발작의치료를위해해마 (hippocampus) 를포함하는양쪽 medial temporal cortex를제거하는수술을받은 H.M. 은단기기억이장기기억으로변환되는과정에서심각한손상을보이는것으로밝혀졌다 [3]. 이후연구들을통해해마가기억능력중에서도특히개인적경험들에대한내용들을저장하는삽화적기억으로알려진기억능력을위해중요한역할을한다는사실이알려지게되었다. 기억에는삽화적기억이외에도여러가지다른종류의기억들이존재하는것으로알려져있다. 예를들어, 자전거타는법이나운전등과같이의식적으로설명할수없는절차적기억과뱀이나쥐를보았을때반응하는자율신경계의반응등과같은정서적기억등이있다. 인지뇌과학연구결과들에의하면앞에나온예들중에절차적기억에는기저핵 (Basal ganglia) 이라는뇌부위가, 그리고정서적기억에는편도체 (Amygdala) 라는부위가중요한기능을담당하고있으며, 따라서각각다른종류의기억들에대해다른뇌부위들이관련되어있음을밝히고있다. 20 2009. 4. 정보과학회지제 27 권제 4 호
편도체는사람에게서관자놀이부분깊숙한곳에위치해있으며아몬드의크기와형태를닮은작은뇌구조물이다. 이편도체가정서적정보처리에중요한역할을한다는사실은주로쥐를대상으로한공포조건화실험들을통해알려지게되었다. 편도체는주로일차시각피질과청각피질등을통해서각각시각정보와청각정보들을받게되는데, 이러한통상적인정보통로이외에도시상 (Thalamus) 을거쳐직접편도체로유입되는정보의지름길이존재한다는가설을입증하는여러연구들이 LeDoux와동료들에의해서밝혀지게되었다 [4]. 편도체의빠른정보처리능력은사람연구에서도밝혀진바있다. 편도체가양쪽모두손상된환자의경우얼굴에서정서적신호를읽어내는데큰어려움을겪는다는사실이발견되었다. 여러가지얼굴표정들중에서도특히공포표정을인식하는데보다큰어려움을겪는데 FMRI 를이용한최근연구들에서는공포표정, 심지어공포표정의눈흰자위부분만을의식적으로인식할수없을정도로짧은시간동안제시했을경우에도편도체가반응한다는사실이밝혀졌다 [5,6]. 우리가산길을가다가우연히뱀을보게될때뱀이라는의식적인지각과판단과정이일어나기이전에이러한정서적신호의지름길을통해서편도체는이미위험을탐지하게되고, 따라서거의반사적으로몸을움츠리는반응을만들어낼수있게되는것이다. 4. 인지뇌과학의최근연구동향 4.1 사회신경과학 (Social neuroscience) 사회신경과학은다양한인간의사회적행동과심리적현상들의생물학적기제를신경과학적연구방법들을사용하여밝히고자시작된새로운학문분야를가리킨다. 전통적인사회심리학에비해사회신경과학의분야는현재다소제한적이기는하지만그범위는해가거듭될수록확장되고있는중이다. 사회적편견은미국을포함하는다인종다민족국가들에서끊이지않는중요한정치적그리고사회적문제라고할수있으며국제화속도가증가함에따라빠른속도로함께증가해가고있는문제들중하나이다. 사회적편견과관련한심리적기제에대한연구는심리학에서이미오랜역사를가지고있지만이와관련한뇌기제를밝히려는첫번째시도는 2000년에 NYU 대학에있는 Phelps 교수가이끄는그룹에의해이루어졌다 [7]. 이실험에서우선암묵적연합과제 (IAT: Implicit Association Task) 라는과제를이용해서 피험자들의무의식적인인종적편견성정도를테스트하였다. 이과제에서는흑인또는백인의사진과 폭력적인 그리고 상냥한 등과같은형용사를빠른속도로판단하는과제를주고이에대한반응시간의차이로피험자의숨겨진편견성을알아볼수있다. 예를들어, 흑인들에대해무의식적편견이있는사람은흑인의사진과 폭력적인 이라는단어가짝지어져있을경우보다 상냥한 이라는단어가짝지어져있을경우에판단시간이오래걸리는것으로나타난다. 이과제를수행한뒤에직접피험자자신이느끼는편견성정도를물어보는질문지가제공되었다. 위의과제들을끝낸뒤에피험자들은 MRI 측정실로옮겨져 2초동안제시되는흑인의얼굴과백인의얼굴사진들을수동적으로주시하도록지시받았고그동안 Functional MRI 를이용해뇌반응을측정하는실험을수행했다. 피험자들의뇌반응을분석한결과 IAT 를통해무의식적편견정도가높은것으로나타난피험자들의경우흑인들의얼굴사진들을볼때백인들의얼굴사진들을볼때보다편도체의반응이증가하는것을관찰할수있었다. 같은피험자들의뇌반응을설문지로얻은편견수준들과비교했을경우는전혀상관관계가나타나지않았다. 특정사회집단에대한무의식적평가가편도체에의해서이루어진다는사실은이러한편견으로야기된행동이인과관계에대한의식적인식없이도나타날수있다는가능성을시사한다. 4.2 신경경제학 (Neuroeconomics) 전통적인미시경제학에서인간은정확하고충분한정보가주어졌을경우자신의이익을최대화할수있는방향으로가장효과적이고합리적인의사결정을만들어내는존재임을가정하고있다. 이에반해, 심리학자들은인간에게정확하고충분한정보가주어지는경우자체가비현실적임을인정하고, 실수투성이고편향적인비합리적의사결정자로서의인간을가정하고있다. 이러한근본적인견해의차이로심리학과경제학은오랜기간동안다른길들을걸어왔으나최근에노벨상을수상한 Kahneman 와 Tversky 가개척한행동경제학이라는새로운학제간연구의발전으로인해다시한번융합학문으로거듭날발판이마련되고있는중이다 [8]. 심리학과경제학간의공동관심사를중심으로한연합은최근심리학분야에서급속히발전된인지뇌과학적연구방법론을자연스럽게흡수하게되었고이로인해새롭게신경경제학이라는학문이탄생하게되었다. 짧은역사에도불구하고신경경제학은이미여러 인지뇌과학적연구의소개 21
가지크고작은성과들을보였는데이중에자신의이익추구와반대되는의사결정들의원인이되는정서적그리고사회적정보처리와관련된뇌기제를밝히기위하여고안되었던연구들에주목할필요가있다. 특히, 주관적으로지각된공정성 (perceived fairness) 이뇌에서어떻게표상되고이러한표상이의사결정행동과어떠한관련성을가지는지에관한실험들은신경경제학의역사와함께한다고해도과언이아니다. 신경경제학분야의첫번째논문인것으로알려져있는 2003년에발표된 Sanfey 와동료들의연구에서는피험자들이사진으로제시되는다른피험자와 Ultimatum game이라불리는과제를수행하는동안부당성 (unfairness) 의지각과관련한뇌기제를 FMRI 기법을이용해알아보았다 [9]. 이게임에서피험자 ( 응답자 ) 는일정금액 ($10) 을먼저받은다른피험자 ( 제안자 ) 가제안하는분배를받아들일것인지아니면거절할것인지를선택하도록지시받았다. 제안되는액수는공평한분배 ($5 : $5) 이거나불공평한분배 ($9 : $1) 가되도록만들어졌고응답자가제안을거절할경우응답자와제안자모두 $0을받게되도록설정되었다. 그결과응답자들의제안거절비율은불공평한정도가증가할수록커지는것을관찰할수있었고이와함께불공평한제안을받았을경우응답자들의주로혐오스런자극이나불쾌한자극을볼때높은활동을보이는것으로알려진 Insula 의활동이증가하는것을볼수있었다. 또한, Insula활동이컸던피험자는제안자의제안을거절하는비율이컸다는사실을보여줌으로써응답자들이제안자의불공평한제안에부정적인감정으로대응한다는사실을가리키며이러한부정적인감정이응답자의의사결정에영향을미친다는점을강하게시사하고있다. 최근실험경제학연구들은처벌또는보상과같은제도를통해서사회적공정성을수립하는것이사회의발전과유지를위해필수적임을재확인하고있다 [10]. 개인이기업이나정부에대하여갖게되는공정성또는불공정성여부에관한편향된주관적지각은상품이나정책등에관한객관적분석을시도하려는노력없이비이성적인선호도와편향된의사결정으로이어질우려가있으며이는개인과기업모두에게불이익을초래하여사회전반의발전을저해할수있다. 불공정성에대한주관적지각이의사결정과연결되는생물학적기제에대한보다깊은이해는기업이나정부의이미지개선을위한노력에적지않은기여를할수있을것이다. 4.3 뉴로마케팅 (Neuromarketing) 소비자들의심리를파악하여상품판매를극대화하는것은대부분의기업들이가진궁극적인목표라할수있다. 소비자들의숨은동기를파악하는데있어서설문지방식이지닌치명적인한계점을극복하기위해노력해온기업들에게있어서뇌반응을읽어내는 FMRI 는당연히커다란매력을가지게되었다. 선호판단과관련된뇌부위를발견한최근에발표된몇몇논문들은이러한기대를부추기는데큰역할을담당했다. 예를들어, 모의구매상황을구현해서피험자들이물건을구매하는시점에관련된뇌반응을알아본실험에서는측핵 (Nucleus accumbens) 이라는뇌속깊숙히위치한부위의반응이선호하는상품의사진을볼때높은반응을보인다는사실을밝혔다 [11]. 또한, 보다최근의한연구에서는와인을마시기직전가격표를보여주면서뇌반응을측정하였는데똑같은종류의마시더라도좀더비산가격표를보여줄경우복내측전전두엽 (ventromedial prefrontal cortex) 이라는부위의반응이높아지는것을관찰하였다 [12]. 뉴로마케팅의효과와윤리적문제점들을검토하는과학적절차들은시간적으로오래걸리게마련인데비해신기술을수용하려는기업들의움직임은이보다훨씬앞설가능성이크다. 실제로국외는물론국내에도이미뉴로마케팅을사업아이템으로내세운기업들이생겨났다. 이렇듯뇌과학이과학적울타리를벗어나일상생활속으로들어오게됨에따라일반인들을대상으로하는뇌과학교육의필요성뿐아니라인지뇌과학자들의비판적인시각과책임의식은갈수록커지게될것이다. 4.4 신경윤리학 (Neuroethics) 인지뇌과학은최근근본적인인간의자유의지또는도덕적판단등과같이다소철학적인질문들에까지그범위를확장시켜가고있다. 예를들어, 수십번의살인을저지르고도전혀양심의가책을느끼지못하는사람을볼때우리는싸이코패쓰라는이름을붙이며도덕적판단능력의극단적인개인차의존재를실감하곤한다. 그렇다면우리뇌의어느부분에서이러한도적덕판단능력의개인차를가능하게만드는것인가? 2001년에발표된한연구에서피험자들은여러개의도덕적딜레마상황들을읽고보다도덕적이라판단되는선택을하도록요구받았다 [13]. 실험에사용된하나의예로써, 달려오는기차를그냥두면 5명의목숨을잃게될수있으나당신옆에있는몸집이큰사람을선로를향해밀어버릴경우기차를멈출수 22 2009. 4. 정보과학회지제 27 권제 4 호
있고따라서 1명의목숨을희생시켜 5명을구할수있다는상황에놓였을경우당신은어떠한선택을할것인가? 와같은시나리오를들수있다. 이렇듯실용주의적인선택 ( 보다많은생명을구할수있음 ) 이정서적인반응 ( 사람을밀어살인을저지르는일 ) 과상충될수있는상황에서선택을해야만할경우실험참가자들의내측전두엽 (medial prefrontal cortex) 반응이크게상승하는것을발견되었다. 내측전두엽은논리적사고가요구되는과제수행시정서적정보의침투에의해야기되는상충효과가감지되는뇌부위인것으로알려져있다 [14]. 이는도덕적판단기준의근원이, Kant 나 Mill 이주장하는엄격한이성적잣대에의해서라기보다는, 진화적으로오랜세월동안직관적판단을유지, 발달시켜온정서적뇌기제와연결될수있음을강조하는견해와많은부분일치한다고볼수있다. 최근에발표된뇌손상환자들을대상으로한연구에서내측전두엽을포함하는부위가손상된환자들이정상인들에비해정서적편향성을덜경험하게되고따라서보다실용주의적선택을할수있다는발견은도덕적판단의근간에정서가존재할수있다는위의주장에더욱힘을실어주고있다 [15]. 위에소개된도덕적판단관련된뇌기제를밝히려는연구들이외에도신경윤리학은신경과학적연구의발전과함께나타날수있는다양한윤리적문제들을사회에알리고효율적인해결책들을찾는새로운연구분야들을모두포함한다. 소비자의무의식적구매욕구를자극시켜행동을변화시키려는시도의등장에서부터뇌영상기법을통해얻어진특정인의숨겨진의도, 성향, 그리고능력등에관한사적인정보들의유출위험에이르기까지뇌과학의발달로인해새롭게대두되기시작한다양한사회적문제점들을고려할때, 신경윤리학은점차그비중이커져가고있는새로운학문분야임은의심의여지가없을것이다. 5. 맺는말지금까지알아본바와같이인지뇌과학은이제겨우 30년이채안되는짧은역사에도불구하고지각, 기억, 정서등과같이오랜역사를가진질문들에대해기대이상의해답들을제시해왔다. 이미심리학의주요분야로서자리매김을확고히한인지뇌과학은앞으로도인간심리의비밀들을밝히는과정에많은공헌을할것으로기대된다. 또한, 다양한사회과학분야들과접목을시도한인지뇌과학은인문학과자연과학의연결을지향하는융합학문을주도하는핵심적인연결고리의역할을담당할것으로보인다. 참고문헌 [1] McCarthy G, Puce A, Gore J, Allison T. Face- Specific Processing in the Human Fusiform Gyrus. Journal of cognitive neuroscience 1997; 9: 605-610. [ 2 ] Epstein R, Kanwisher N. A cortical representation of the local visual environment. Nature 1998; 392: 598-601. [ 3 ] Scoville W, Milner B. Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions. J Neuropsychiatry Clin Neurosci 2000; 12: 103-113. [ 4 ] LeDoux JE. Emotion circuits in the brain. Annu Rev Neurosci 2000; 23: 155-184. [ 5 ] Whalen PJ, Kagan J, Cook RG, Davis FC, Kim H, Polis S et al. Human amygdala responsivity to masked fearful eye whites. Science 2004; 306: 2061. [ 6 ] Whalen PJ, Rauch SL, Etcoff NL, McInerney SC, Lee MB, Jenike MA. Masked presentations of emotional facial expressions modulate amygdala activity without explicit knowledge. J Neurosci 1998; 18: 411-418. [ 7 ] Phelps E, O'Connor K, Cunningham W, Funayama E, Gatenby J, Gore J et al. Performance on indirect measures of race evaluation predicts amygdala activation. Journal of cognitive neuroscience 2000; 12: 729-738. [ 8 ] Kahneman D, Tversky A (eds). Choices, values, and frames. Cambridge, UK: Cambridge University Press; 2000. [ 9 ] Sanfey A, Rilling J, Aronson J, Nystrom L, Cohen J. The neural basis of economic decision-making in the Ultimatum Game. Science 2003; 300: 1755-1758. [10] Gurerk O, Irienbusch B, Rockenbach B. The competitive advantage of sanctioning institutions. Science 2006; 312: 108-111. [11] Knutson B, Rick S, Wimmer G, Prelec D, Loewenstein G. Neural predictors of purchases. Neuron 2007; 53: 147-156. [12] Plassmann H, O'Doherty J, Shiv B, Rangel A. Marketing actions can modulate neural representations of experienced pleasantness. Proc Natl Acad Sci USA 2008; 105: 1050-1054. [13] Greene JD, Sommerville RB, Nystrom JE, Darley JM, Cohen JD. An fmri investigation of emotional engagement in moral judgment. Science 2001; 293: 2105-2108. 인지뇌과학적연구의소개 23
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