혼합 선택성의 힘: 뇌 기능과 인지에 대한 이해

매일 우리의 뇌는 균형을 최적화하기 위해 노력합니다. 우리 주변에서 수많은 사건들이 일어나고 동시에 수많은 내면의 충동과 기억들이 겹치면서, 우리의 생각은 유연하면서도 우리가 해야 할 모든 일을 이끌어갈 만큼 집중되어야 합니다. 신경과학 저널인 뉴런(Neuron)에 실린 새로운 논문에서, 신경과학자들은 뇌가 중요하지 않은 것에 압도되지 않고 모든 관련 정보를 통합하는 인지 능력을 어떻게 획득하는지 설명합니다.

저자들은 이러한 유연성이 많은 뉴런에서 관찰되는 핵심적인 특성인 "혼합 선택성"에서 비롯된다고 주장합니다. 이전에는 많은 신경과학자들이 각 세포가 하나의 특화된 기능만 수행한다고 생각했지만, 최근의 증거는 많은 뉴런이 병렬로 작동하는 여러 계산 앙상블에 참여할 수 있음을 보여줍니다. 다시 말해, 토끼가 정원에서 상추를 뜯어먹을지 고민할 때, 하나의 뉴런은 단순히 배고픔을 판단하는 데에만 관여하는 것이 아니라, 머리 위로 매가 우는 소리를 듣거나 나무에 있는 코요테 냄새를 맡고 상추가 얼마나 멀리 있는지 판단하는 데에도 관여할 수 있습니다.

논문 공동 저자이자 MIT 피코워 학습 및 기억 연구소 교수이자 혼합 선택성 개념의 선구자 중 한 명인 얼 K. 밀러는 뇌는 멀티태스킹을 하지 않지만, 많은 세포가 다중 연산(본질적으로 "생각")에 관여할 수 있는 능력을 가지고 있다고 말했습니다. 새로운 논문에서 저자들은 뇌가 다양한 연산에 뉴런을 동원하고, 이 뉴런들이 복잡한 과제의 적절한 차원 수를 표현하도록 하는 구체적인 메커니즘을 설명합니다.

이러한 뉴런들은 다양한 기능을 수행합니다. 혼합 선택성을 통해, 원하는 만큼 복잡한 표상 공간을 만들 수 있으며, 그 이상은 아닙니다. 바로 여기에 인지 기능의 유연성이 있습니다.

얼 K. 밀러, 매사추세츠 공과대학교 학습 및 기억 연구소 피코워 연구소 교수

캘리포니아 대학교 샌디에이고와 솔크 연구소의 교수이자 공동 저자인 케이 타이는 특히 내측 전두엽 피질에서 뉴런 간의 혼합 선택성이 많은 정신적 능력을 구현하는 데 중요하다고 말했습니다.

"MPFC는 매우 유연하고 역동적인 앙상블을 통해 엄청난 양의 정보를 표현하는 속삭임과 같습니다."라고 타이는 말했습니다. "혼합 선택성은 우리에게 유연성, 인지 능력, 그리고 창의성을 부여하는 속성입니다. 이는 본질적으로 지능의 기반인 연산 능력을 극대화하는 비결입니다."

아이디어의 기원

혼합 선택성이라는 개념은 2000년 밀러와 그의 동료 존 던컨이 밀러 연구실에서 인지 기능 연구에서 얻은 놀라운 결과를 옹호하면서 시작되었습니다. 동물이 이미지를 범주별로 분류했을 때, 뇌 전전두엽 피질 뉴런의 약 30%가 활성화되는 것으로 나타났습니다. 각 뉴런이 특정 기능을 수행한다고 믿었던 회의론자들은 뇌가 그렇게 많은 세포를 단 하나의 작업에만 사용할 수 있다는 생각을 비웃었습니다. 밀러와 던컨은 아마도 세포들이 여러 연산에 참여할 수 있는 유연성을 가지고 있을 것이라고 답했습니다. 한 뇌 집단에만 관여할 수 있는 능력이 다른 여러 집단에도 관여할 수 있는 능력을 배제하는 것은 아니었습니다.

하지만 혼합 선택성은 어떤 이점을 가져다줄까요? 2013년, 밀러는 IBM 연구소의 마티아 리고티, 컬럼비아 대학교의 스테파노 푸시라는 두 명의 공동 저자와 함께 혼합 선택성이 어떻게 뇌에 강력한 계산적 유연성을 제공하는지 보여주었습니다. 본질적으로, 혼합 선택성을 가진 뉴런 앙상블은 고정된 기능을 가진 뉴런 집단보다 작업에 대한 훨씬 더 많은 차원의 정보를 수용할 수 있습니다.

리고티는 "저희는 최초 연구 이후 고전적인 머신러닝 개념을 통해 혼합 선택성 이론을 이해하는 데 진전을 이루었습니다."라고 말했습니다. "반면에, 세포 수준에서 이를 구현하는 메커니즘에 대한 실험가들에게 중요한 질문들은 상대적으로 연구가 부족했습니다. 이번 협력 연구와 새로운 논문은 그러한 간극을 메우는 것을 목표로 합니다."

새로운 논문에서 저자들은 생쥐가 열매를 먹을지 말지 결정하는 상황을 가정합니다. 맛있는 냄새가 날 수도 있고(이것이 한 차원입니다), 독이 있을 수도 있습니다(이것이 또 다른 차원입니다). 문제의 또 다른 한두 가지 차원은 사회적 단서의 형태로 나타날 수 있습니다. 생쥐가 다른 생쥐의 입에서 열매 냄새를 맡으면, 그 열매는 먹을 수 있을 가능성이 높습니다(상대 생쥐의 겉보기 건강 상태에 따라 다릅니다). 혼합 선택성을 가진 신경 앙상블은 이 모든 것을 통합할 수 있을 것입니다.

신경 세포 유인

혼합 선택성은 풍부한 증거에 의해 뒷받침됩니다. 피질 전체와 해마, 편도체와 같은 다른 뇌 영역에서도 관찰되었죠. 하지만 여전히 풀리지 않은 의문들이 남아 있습니다. 예를 들어, 뉴런은 어떻게 과제에 동원될까요? 그리고 그렇게 넓은 사고를 가진 뉴런들이 어떻게 진정으로 중요한 임무에만 집중할 수 있을까요?

새로운 연구에서 UC 샌디에이고의 마커스 베나와 솔크 연구소의 펠릭스 타슈바흐를 포함한 연구자들은 연구자들이 관찰한 혼합 선택성의 형태를 식별하고 진동(또는 "뇌파"라고도 함)과 신경 조절제(세로토닌이나 도파민과 같이 신경 기능에 영향을 미치는 화학 물질)가 뉴런을 계산 앙상블로 모집할 때 그 목적에 중요한 것을 "필터링"하는 데 도움이 된다고 주장합니다.

물론 일부 뉴런은 특정 입력에 특화되어 있지만, 저자들은 이러한 뉴런들이 예외적인 경우일 뿐 일반적인 경우는 아니라고 지적합니다. 저자들은 이러한 세포들이 "순수 선택성"을 가지고 있다고 말합니다. 이 세포들은 토끼가 상추를 보는지 여부만 고려합니다. 일부 뉴런은 "선형 혼합 선택성"을 보이는데, 이는 반응이 여러 입력의 합에 따라 예측 가능하게 달라진다는 것을 의미합니다(토끼가 상추를 보고 배고픔을 느낀다). 측정 유연성이 가장 큰 뉴런은 "비선형 혼합 선택성"을 가진 뉴런으로, 여러 독립 변수를 모두 합산하지 않고도 설명할 수 있습니다. 대신, 이러한 뉴런들은 일련의 독립적인 조건(예: 상추가 있고, 배가 고프고, 매 소리가 들리지 않고, 코요테 냄새가 나지 않지만, 상추가 멀리 있고, 꽤 튼튼한 울타리가 보인다)을 설명할 수 있습니다.

그렇다면 뉴런이 의미 있는 요인에 집중하도록 하는 것은 무엇일까요? 그 요인의 수와 관계없이 말입니다. 한 가지 메커니즘은 진동입니다. 진동은 뇌에서 많은 뉴런이 동일한 리듬으로 전기적 활동을 유지할 때 발생합니다. 이러한 조율된 활동은 정보 공유를 가능하게 하며, 마치 여러 대의 자동차가 같은 라디오 방송을 틀어주는 것처럼(아마도 머리 위를 맴도는 매의 방송처럼) 뉴런들을 서로 조율하는 것과 같습니다. 저자들은 신경 조절 물질(neuromodulators)을 강조합니다. 신경 조절 물질은 세포 내 수용체에 도달하면 수용체의 활동에도 영향을 미칠 수 있는 화학물질입니다. 예를 들어, 아세틸콜린의 급증은 특정 활동이나 정보(예를 들어 배고픔을 느끼는 감각)에 맞춰 적절한 수용체를 가진 뉴런을 조율할 수 있습니다.

저자들은 "이 두 가지 메커니즘이 함께 작용하여 기능적 네트워크를 역동적으로 형성할 가능성이 높다"고 기술했습니다.

그들은 혼합 선택성을 이해하는 것이 인지를 이해하는 데 중요하다고 덧붙였다.

"혼합 선택성은 어디에나 존재합니다."라고 그들은 결론지었습니다. "이는 모든 종에 걸쳐 존재하며, 고차원 인지부터 사물 인식과 같은 '자동적인' 감각운동 과정에 이르기까지 다양한 기능을 수행합니다. 혼합 선택성이 널리 존재한다는 것은 복잡한 사고와 행동에 필요한 확장 가능한 처리 능력을 뇌에 제공하는 혼합 선택성의 근본적인 역할을 강조합니다."

연구에 대한 자세한 내용은 CELL 저널 페이지 에서 확인할 수 있습니다.