'인지' 란 무엇일까?(인지 심리학: 인지신경과학 2)

안녕하세요 다시 돌아온 인지 심리학 시간입니다.

저번 글을 안 읽고 오신 분들은

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'인지' 란 무엇일까?(인지 심리학: 인지신경과학 1)

이 글 읽고 오시길 바랍니다.

 

뉴런: 의사소통과 표상

뇌라고 불리는 1.6kg의 구조물이 마음의 기초라고 하는 것이 어떻게 가능할까요? 이미 밝혀진 데로 뇌 안을 들여다보면 우리가 경험하고 알고 있는 것에 관한 정보를 생산하고 전달하는 뉴런(neuron)이라 불리는 작은 단위들을 관찰할 필요가 있습니다.

 

뇌의 미세 구조: 뉴런

오랬동안 뇌 조직의 본질은 수수께끼였습니다.

 

뇌의 구조를 관찰하기 위해 19세기 해부학자들은 뇌 조직에 특수 염료를 가했는데, 그럼으로써 뇌 내부의 상이한 조직 유형들 간의 대비를 증가시킬 수 있었습니다. 이렇게 염색된 조직을 현미경으로 보았을 때 신경망(nerve net)이라고 불리는 네트워크를 관찰할 수 있었습니다 이 네트워크는 연속적인 것처럼 생각되었는데, 마치 정지 신호나 신호등 없이 도로들이 서로 직접 연결되어 있는 고속도로 시스템과 같았습니다. 이런 방식으로 시각화했을 때, 신경망은 신호들이 네트워크 내에서 차단되지 않고 다닐 수 있는 복잡한 경로를 제공합니다.

신경망

뇌의 미세구조를 연속적으로 상호 연결된 네트워크로 기술하는 한 가지 이유는 그 시기에 사용된 염색 기법과 망원경이 미세한 부분들을 분해할 수 없었기 때문인데, 이러한 미세 부분들을 볼 수 없었을 때에는 신경망이 연속적인 것처럼 보였습니다.

 

그러나 1970년대에 이탈리아 해부학자 Camillo Golgi는 질산은 용액에 얇은 뇌 조직 절편을 적시는 염색기법을 개발했습니다. 이로써 세포들은 완벽하게 착색 되었고, 따라서 그 구조를 관찰하는 것이 가능해졌습니다.

 

 

신경망의 본질을 탐구하는 것에 관심을 가졌던 스페인 생리학자 Ramon y Cajal(라몬 이 카할)은 Golgi의 염료를 사용해 갓 태어난 뇌 세포의 밀도가 성체의 뇌 밀도보다 낮은 갓 태어난 동물을 이용하여 실험 하였습니다.

 

갓 태어난 뇌의 속성, 그리고 Golgi염료가 1% 미만의 뉴런에만 영향을 미친다는 사실 덕분에, Cagal은 신경망이 연속적인 것이 아니라 상호 연결되어 있는 개개 단위들로 구성되어 있다는 것을 명확하게 밝힐 수 있었습니다.

 

Cajal의 발견은 뉴런 주의(neuron doctrine)의 핵심입니다. 개개 세포들은 신경망 내에서 신호를 전달하고, 이 세포들은 신경망 이론에서 제안했던 것과는 달리 다른 세포들과 연속적이지 않습니다.

 

 

뉴런의 세포체(cell body)는 뉴런의 신진대사 센터인데, 이는 세포의 생명 유지 기전을 포함합니다. 세포체로부터 가지 쳐 나온 수상돌기(dendrite)의 기능은 다른 뉴런으로부터 신호를 받아들이는 것입니다.

신경섬유(nerve fiber)라고 불리는 축삭(axon)은 통상 다른 뉴런으로 신호를 전달하는 긴 통로입니다.

 

Cajal은 뉴런에 관해 또 다른 결론에 도달했습니다. 

1.  뉴런의 축삭 밀 단과 그 밖의 다른 뉴런의 수상돌기나 세포체 사이에는 조그만 틈이 있습니다. 이 틈을 연접(snapse)이라고 부른다
2. 뉴런은 다른 뉴런과 무분별하게 연결되어 있지 않고 특정 뉴런과만 연결을 형성하는데 이들이 함께 신경회로(neural circuit)를 형성한다.
3. 뇌의 뉴런 외에도 눈, 코, 피부에 있는 뉴런들처럼 환경에서 정보를 포착하기 위해 전문화된 뉴런들이 있다. 이런 뉴런들을 수용기(receptors)라고 부르는데, 이들은 축삭을 갖고 있다는 점에서는 뇌 뉴런과 유사하지만 환경에서 정보를 포착하는 전문화된 수용기를 갖고 있다.

뉴런 내에서 이동하는 신호들

Cajal은 개개 뉴런들의 구조 그리고 그들이 다른 뉴런들과 어떻게 관련되는지를 성공적으로 기술하였으며, 이 뉴런들이 신호를 전달한다는 사실을 알았습니다. 그러나 이 신호의 정확한 본질을 파악하기 위해서는 전자증폭기의 개발을 기다려야 했는데, 이 증폭기는 뉴런에 의해 생성된 극도로 작은 전기적 신호를 볼 수 있도록 할 만큼 충분히 강력했습니다.

 

(뉴런이 어떻게 작동하는지에 대한 연구는 스킾하겠습니다.)

 

신경 표상의 원리

인지 심리학 소개에서 표상이라는 개념을 다루었는데요, 이때 마음을 우리의 목표를 달성하기 위해 그 안에서 행동할 수 있게끔 세상에 대한 표상을 생성하는 시스템으로  정의하였습니다.

우리가 경험하는 모든 것은 그 경험을 나타내는 어떤 것의 결과를 뜻하기 때문입니다. 이러한 생각을 신경 수준에서 살펴보기 위해 우리는 신경표상의 원리(principle of neural representation)를 다룰 것인데, 이에 따르면 사람이 경험하는 모든 것은 자극과의 직접적인 접촉에 근거하지 않고 사람의 신경계 내의 표상에 근거합니다.

 

 

 

예를 들어 우리가 고양이 생김새를 볼 수 있는 이유도 우리의 망막, 즉 안구의 뒤쪽에 정렬되어 있는

뉴런의 층에 초점화되기 때문입니다. 

 

뉴런에 의한 표상

단일 뉴런에 의한 표상

신경신호가 사물을 표상하는 방식을 다룬 연구가 Adrian의 주도 하에 이루어졌는데, 뉴런들이 상이한 감각자극들에 대해 발화하는 방식을 밝히는 데 연구의 초점이 있었습니다.

 

속성 탐지기 1960년대에 David Hubel과 Thorsten Wiesel은 고양이에게 시각 자극을 제시하는 일련의 실험들을 시작하였으며, 특정 뉴런의 발화를 어떤 자극이 유발하는지 밝혔습니다.

그들의 발견에 따르면 시각피질 영역의 각 뉴런들은 망막의 조그만 영역에 제시된 특정 유형의 자극에 대해 반응하였습니다.

 

그들은 이 뉴런들을 속성 탐지기(feature detector)라고 불렀는데, 그 이유는 이 뉴런들이 방위, 운동, 길이와 같은 특정 자극 속성들에 대해 반응했기 때문입니다. 

 

복잡한 자극에 대해 반응하는 뉴런들

복잡한 자극들은 뇌의 뉴런들의 발화에 의해 어떻게 표상 될까요?

 

(원숭이 뇌의 측면에 있는 측두엽의 단일 뉴런들을 기록하는 실험)

이 실험들의 결과는 1969년과 1972년에 이제는 고전이 된 논문에서 보고되었는데, Gross의 연구팀은 마취된 원숭이에게 매우 다양한 자극들을 제시하였습니다.

이때 표준적 자극들 그 어느 것에도 반응하지 않은 뉴런들이 있었습니다.

 

뉴런들이 복잡한 기하학적 자극들에 대해 반응하며 측두엽의 다른 영역의 뉴런들이 얼굴들에 반응한다는 사실을 살펴보았습니다.

 

상호작용을 수행하고 얼굴과 같이 보다 복잡한 자극에 대해 반응하는 뉴런들을 생성하고 이처럼 뇌의 하위 영역에서 상위 영역으로 진행을 위계적 처리(hierarchical processing)이라고 부릅니다.

 

오늘은 여기까지고요 다음에는 감각 부호화부터 다뤄보도록 하겠습니다. 감사합니다.