슛 직전에 골키퍼가 위치를 변경하면 이 경향은 결정에 어떻게 영향을 미칠까?
그래도 스트라이커가 여전히 왼쪽으로 쏠까? 이 과정은 어떻게 신경 세포 수준에서 제어될까? 붉은 원숭이 실험으로 탐구했다.

페널티 킥 방향은 뇌에서 어떻게 결정되는가

월드컵에서의 승부차기. 설명이 필요 없이 긴장감은 최고조에 달한다.
축구를 보는 모든 눈이 팀의 최고 스트라이커와 상대 팀 골키퍼에게 향한다.
공을 차는 선수는 가능한 골키퍼를 피해 가는 결정적인 슈팅을 해야 할 것이다.
그는 골문의 오른쪽 또는 왼쪽 구석 어디로 쏠 것인지도 결정해야 한다.

어제(현지2월16일) 토트넘의 순흥민 선수는, 프리미어 리그 애스턴 빌라와의 경기에서 멀티골을 기록하며 5경기 연속골도 처음으로 이뤘다. 그의 첫 골은 페널티 킥이 골키퍼의 손에 맞고 나오는 것을 달려들어가 오른발로 가볍게 터치해 넣었다.

그는 머리 속에서 PK의 방향을 언제 정했을까?  독일 과학자들의 연구가 이 시기에 더욱 관심을 끈다. 

 

공을 차는 그는 뇌에서 결정을 내리기 전에 이미 두 가지 행동 옵션을 모두 계획하고 있다. 골키퍼가 자신의 자세를 통해 결정적인 순간에 오른쪽으로 뛸 것으로 보이면, 스트라이커는 뇌에서 움직임을 계획 할 때 왼쪽 구석을 선호하는 것을 발전시킬 것이다.
그러나 슛 직전에 골키퍼가 위치를 변경하면 이 경향은 결정에 어떻게 영향을 미칠까?
그래도 스트라이커가 여전히 왼쪽으로 쏠까? 이 과정은 어떻게 신경 세포 수준에서 제어될까?

▲ Image by gustavopr1 from Pixabay

괴팅겐(Göttingen)에 있는 독일 라이프니쯔 연구소 영장류센터(DPZ-Leibniz Institute for Primate Research) 신경 과학자들은 붉은 원숭이를 데리고서 11미터 승부차기 의사 결정에 관한 문제를 탐구했다. 그들은 뇌의 같은 영역에 있는 두 가지 다른 유형의 신경 세포가 의사 결정 과정에 관여하고 있음을 보여줄 수 있었다.
행동 계획에 대한 임시적인 경향은 최종 결정에 영향을 미치며 두 옵션의 가중치는 이미 뉴런 수준에서 볼 수 있다. 골키퍼가 갑자기 자신의 입장을 바꾸면 키커는 왼쪽으로 쏠 가능성이 있으며 페널티 킥은 실패로 그친다. 

▲ Image by gustavopr1 from Pixabay

과학자들은 화면 작업을 수행하기 위해 붉은 털 원숭이 두 마리를 훈련 시켰다.
동시에 뇌에서 신경 세포의 활동성을 측정했다. 원숭이가 터치해야 하는 원형 신호가 터치 스크린에 나타난다. 원은 화면의 오른쪽 또는 왼쪽, 위쪽 또는 아래쪽에 표시된다.
원들이 나타난 곳은 무작위였지만, 원숭이들은 다음 신호가 나타날 위치를 나타내는 작은 화살표를 받았다. 예를 들어 왼쪽을 가리키는 큰 자주색 화살표와 오른쪽을 가리키는 작은 파란색 화살표가 있으면 신호가 왼쪽에 나타날 가능성이 높다. 그러나 신호가 이전에 표시된 방향과 정확히 반대 방향으로 나타나거나 두 신호가 동시에 오른쪽과 왼쪽에 표시되어 자유롭게 선택할 수 있다는 점에서 불규칙한 간격으로 이 예상이 깨졌다.

연구원들은 원숭이들이 이전에 보여준 방향 화살표에 따라 경향을 발전시켰음을 관찰했다.
신호가 예상 페이지에 나타나면 작업을 정확하고 신속하게 해결했다.
예상과 달리 신호가 반대편에 나타나면 반응 시간이 길어졌으며 원숭이들은 더 많은 실수를 저질렀다. 동물들이 자유롭게 선택할 수 있다면, 대부분의 경우 두 옵션이 객관적으로 동일하더라도 이전에 표시된 페이지에 나타난 신호를 선호한다.

연구의 첫 저자인 라리타 수리야-아루노이(Lalitta Suriya-Arunroj)는 “예비적 행동경향은 잠깐 사이 상황이 변하더라도 후속 결정에 영향을 미친다.”고 말한다. “원숭이들이 자유롭게 선택할 수 있다고 해도 그들은 잠정적인 행동계획을 결정했다. 골문 앞의 스트라이커도 비슷한 경험을 한다. 그는 골키퍼가 오른쪽으로 점프하려 하고 먼저 왼쪽 코너를 계획한 것을 본다. 골키퍼가 마지막 순간에 중립적인 입장을 취하더라도, 키커는 대부분의 경우 이런 슛방향을 유지하고 골키퍼는 그 방향을 유지하며 패널티 킥을 가로 챌 수 있다.”

과학자들은 또한 신경 세포 수준에서 새로운 발견을 할 수 있었다.
의사 결정과 여러 대안 행동 사이의 가중치는 신경 수준에서 이중 과정으로 매핑된다.
두 가지 유형의 신경 세포가 이를 담당하고 있다.
첫 번째 그룹은 원하는 대상을 코딩한다. 경향이 없는 한, 그들은 활동적이지 않고 행동 옵션에 대한 선호가 발생할 때만 반응한다. 그런 다음 세포들은 이 옵션의 경향이 강해질수록 더욱 활성화된다.
신경 세포의 두 번째 그룹은 처음부터 주어진 모든 대안을 보여준다. 그런 다음 어떤 옵션 중에서 문제가 없는지 결정된다. 옵션이 덜 고려 될수록, 바람직하지 않은 옵션을 코딩하는 신경 세포는 하향 조절된다. 제외 원칙에 따라 최선의 선택인 옵션이 남아 있다.

DPZ의 감각 운동 연구 그룹 책임자이자 연구 저자인 알렉산더 가일(Alexander Gail)은 “동일한 뇌 영역에 있는 두 개의 서로 다른 신경 세포가 의사 결정 과정을 담당한다는 사실은 이 연구의 새로운 발견이다. 뇌에서의 계획은 강한 경향을 반영하고 배제 원칙에 의해 차례로 제거 될 수 있는 다른 모든 옵션을 묘사하는 이중 프로세스에 의해 제어된다. 뇌는 우리가 균형 잡힌 유연한 결정을 내릴 수 있게 한다. 그의 첫 번째 선호에도 불구하고 골대 앞에 있는 스트라이커는 다른 코너를 옵션으로 배제하지 않고 마지막 순간에 그렇게 할 수 있다.”고 말했다.
(eLife, 2019  & 출처 : Deutsches Primatenzentrum GmbH- 라이프니츠 영장류 연구소

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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