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- 해마의 뇌 세포는 덧셈이나 뺄셈을 전문으로
- 인접 영역의 뉴런은 동적으로 작업 공유
- 수학적 기호를 단어로 바꾸더라도 효과는 동일하게 유지
- 새로운 발견은 이미 인간의 컴퓨팅 능력을 더 잘 이해하기 위한 중요한 단계

뇌에는 덧셈과 뺄셈을 위한 자체 영역이 있다.
특히 산술 작업의 유형에 따라 뇌의 "수학 뉴런"이 작동한다.

플러스냐 마이너스냐가 우리 뇌에 차이를 만든다.
산술 연산에 따라 다른 각각의 특정 영역이 우리의 사고 기관에서 활성화되기 때문이다. 연구원들이 알아낸 것처럼 숫자로 계산하든 단어 문제로 계산하든 상관없다. 해마의 뇌 세포는 덧셈이나 뺄셈을 전문으로 하는 반면, 인접 영역의 뉴런은 동적으로 작업을 공유한다. 

▲ 연구 개략도( 출처 : 관련논문 Neuronal codes for arithmetic rule processing in the human brain)

산술 및 추상 수학적 추론은 인간의 고유한 능력이다. 우리의 두뇌는 특히 숫자의 크기를 인식하거나 숫자 0을 처리하기 위한 자체 회로와 영역을 개발했다. 과학자들은 심지어 셀 수 있는 뉴런을 식별했다. 수학자의 경우 고등 수학에 대해 생각할 때도 매우 특별한 네트워크가 작동한다.

▲ 덧셈과 뺄셈은 우리 뇌의 특별한 뉴런에 의해 수행된다. pixabay

계산하는 측두엽을 들여다보다.

이제 수학에서 우리 뇌의 또 다른 전문화가 분명해졌다.
Bonn 대학의 Esther Kutter와 동료들이 발견한 것처럼 우리 뇌에는 산술 연산의 덧셈과 뺄셈을 위한 자체 영역이 있다. 연구를 위해 그들은 진단 목적으로 이식된 전극을 사용해 9명의 뇌전증 환자의 뇌를 조사할 기회를 얻었다. 이를 통해 개별 뇌 세포의 활동도 측정할 수 있었다.

초점은 내측 측두엽에 있는 258개의 뉴런의 활동에 있었다.
뇌의 이 영역에는 기억과 학습에 중요한 영역인 해마와 해마 주변 피질(parahippocamal cortex)이 포함된다. 특정 수치에 반응하는 뉴런도 거기에 있다. 따라서 연구자들은 연구를 위해 피험자가 숫자와 기호 또는 텍스트 형식으로 간단한 덧셈 및 뺄셈 작업을 해결할 때 어떤 뉴런이 반응하는지 조사했다.

▲ 규칙을 선택하는 뉴런의 신경 반응 (출처: 관련논문 Fig.2 Neuronal codes for arithmetic rule processing in the human brain)

덧셈과 뺄셈 뉴런

작지만 중요한 뉴런 그룹은 특정 계산 작업(더하기 또는 빼기) 중에만 작동하는 것으로 나타났다. "예를 들어, 피험자들이 과제 '5 더하기 3'을 계산해야 한다면 그들의 덧셈 뉴런이 뛰어올랐다. 반면에 '7보다 4작은 것'의 경우에는 빼기 신경 세포가 있다"고 Kutter는 보고했다. 이 특정 반응은 두 반구의 동일한 영역에 위치했다.

흥미로운 점은 덧셈 또는 뺄셈 뉴런의 발화는 산술 과제가 제시된 형식에 관계없이 발생했다는 것이다. "수학적 기호를 단어로 바꾸더라도 효과는 동일하게 유지됐다"고 Kutter는 설명한다. 연구자들은 이러한 뉴런이 주어진 형태에 관계없이 수학적 지시를 인코딩한다고 결론지었다.

신경 세포 활동을 산술 작업에 할당하는 것은 매우 명확하게 인식된다.
여기에 훈련된 알고리즘은 테스트 대상이 뇌 활동만을 기반으로 짝수를 더하거나 빼는지 여부를 인식할 수 있었다.

▲ SVM(Support Vector Machine) 분류기를 사용한 규칙 디코딩. 4개의 다른 MTL 영역(열)에 대한 디코딩 성능 (출처: 관련논문 fig. 4)

정적 및 동적 분업

컴퓨팅 뇌 세포는 학습 및 기억과 관련된 두 개의 뇌 영역인 해마와 해마 주변 피질로 구분된다. 두 가지 모두에서 연구팀은 덧셈 및 뺄셈 뉴런 그룹을 식별할 수 있었다. 그러나 한 가지 차이점이 있다. 해마에서 수학 과제에 대한 뇌 세포의 할당은 고정된 것처럼 보인다. 더할 때 동일한 뉴런이 항상 작동하고 빼기를 할 때 동일한 다른 영역이 항상 활성화된다.

그러나 이것은 해마 주위 피질(parahippocampal cortex)에서 다르다.
거기에는 덧셈이나 뺄셈이 발생할 때 특별히 발화하는 신경 세포도 있다. 그들은 작업에서 동적으로 교대한다. 하나의 동일한 산술 작업 중에 요약할 때 측정값에서 볼 수 있듯이 다른 추가 뉴런이 교대로 활성화된다. 연구자들은 뺄 때 비슷한 것을 관찰했다.
정확한 절차는 아직 조사되지 않았다.

Kutter와 그녀의 동료들은 이것을 해마와 해마 주변 피질의 수학 뉴런이 계산의 약간 다른 측면을 취하기 때문이라고 생각한다. 그런 다음 실제 계산을 인수하고 이러한 규칙에 따라 숫자를 처리한다"고 팀이 설명했다.

과학자들은 이제 이것이 실제로 사실인지 그리고 계산할 때 개별 뉴런이 수행하는 역할을 추가 조사에서 명확해지기를 원한다. 새로운 발견은 이미 인간의 컴퓨팅 능력을 더 잘 이해하기 위한 중요한 단계다.
(Current Biology, 2022; doi: 10.1016/j.cub.2022.01.054)
출처: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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