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Global riactice Leader's in Brain Science

전현애 교수님 연구실, 신민호 학생, Cerebral Cortex에 논문 게재
Name : 관리자 | Date : 2021.08.27 09:10 | Views : 897

 

DGIST 전현애 교수 연구팀, 사람이 추론할 때 뇌에서 일어나는 핵심 신경학적 기전 규명

새로운 분석 모델 개발을 통해 다양한 인지 과정에 대한 신경학적 기전 분석길 열려

 

 

 

[DGIST 뇌·인지과학전공 전현애 교수(좌), 신민호 박사과정생(우)]

 

 DGIST(총장 국양) ·인지과학전공 전현애 교수 연구팀이 새로운 메타-분석 모델을 개발하고 이를 이용해 인간의 추론 과정에 대한 핵심 신경학적 기전을 새롭게 규명했다. 이번 연구를 통해 인간의 추론 능력에 대한 비밀을 풀 수 있는 기반을 마련해, 향후 개발된 분석 모델을 활용한 다양한 인지 과정으로의 확장 연구가 기대된다.

추론 능력은 인간의 대표적인 인지 기능 중 하나이다. 추론 능력의 핵심 기전을 밝히기 위해 그 동안 여러 메타-분석을 이용한 시도들이 있어 왔지만, 기존의 분석 모델들은 실제 대뇌 피질의 복잡하게 접혀있는 공간적 특징(folded geometry)을 제대로 반영하지 못하고, 지나치게 단순한 가정들을 바탕으로 이뤄지는 문제점이 있었다.

 이에 DGIST ·인지과학전공 전현애 교수 연구팀은 인간의 추론 과정에 대한 핵심 신경학적 기전을 밝히기 위한 새로운 메타-분석 모델을 제시했다. 연구팀이 개발한 분석법은 대뇌 피질의 공간적 특징이 반영된 공간적 점 과정(Spatial point process)이라는 수학 모형에 기반한 피질 표면에서의 베이즈 기반 메타-분석(BMACS)모델로, 연구팀은 이를 통해 추론 과정의 핵심 기전에 대한 중요한 증거를 제시할 수 있었다.

 BMACS는 기존 분석법과 달리 뇌 피질의 표면에서 분석을 진행한다. 개발된 분석법을 활용해 연구팀은 정점 좌표가 모여 있는 뇌 영역은 추론을 할 때 높은 활성도를 가질 것이라는 가정을 바탕으로 공간적 점 과정의 일종인 로그 가우스 콕스 과정(log Gaussian Cox process)을 적용, 대뇌 피질 전체에 걸쳐 예측된 활성화 패턴을 획득할 수 있었다. 여기에 획득한 활성화 패턴에서 95% 이상의 신뢰도를 갖는 영역을 걸러내 추론과 관련된 뇌 영역을 찾는데 성공했다.

 분석법을 적용해 연구를 진행한 결과, 두뇌의 왼쪽 배외측 전전두피질, 전두극피질, 내측 전전두피질 등이 추론의 핵심 영역으로 밝혀졌다. 이 영역들은 다양한 인지 과정에 관여하는 것으로 알려진 다중 요구 시스템(Multiple-Demand System)의 뇌활성 패턴과 많은 유사점을 보였으며, 이는 복잡한 인지 과정들이 종합적으로 요구되는 고도의 사고 과정을 통해서 추론이 진행된다는 가능성을 제시한다.

 DGIST ·인지과학전공 전현애 교수는 이번 연구는 인간의 추론 능력에 대한 핵심 증거를 제시한 것이다 특히 우리가 개발한 새로운 분석 방법을 이용한다면, 향후 인간의 추론 능력뿐만 아니라 다양한 인지 능력을 관장하는 뇌의 핵심 기제를 더욱 과학적으로 연구할 수 있을 것이다고 밝혔다.

 한편, 이번 연구는 DGIST ·인지과학전공 신민호 박사과정생이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 저명한 뇌인지신경과학 분야 학술지 ‘Cerebral Cortex’ 6 28() 온라인 게재됐으며, 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 중견연구자 사업의 성과이다.

 

 

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연구결과개요

A Cortical Surface-Based Meta-Analysis of Human Reasoning

Minho Shin, Hyeon-Ae Jeon*

(Cerebral Cortex, on-line published on 28th June, 2021)

 

추론 능력은 주어진 정보를 바탕으로 어떠한 결론을 이끌어내는 능력으로, 인간의 대표적인 인지 기능 중 하나이다. 추론이 사람 뇌에서 어떻게 일어나는지 이해하기 위해 많은 뇌영상 연구들이 진행되었지만 아직도 하나의 결과로 귀결되지 못한 상황이다. 추론이 주의력, 기억력, 집행 기능 등을 포함하는 굉장히 복잡한 인지 과정이고, 그래서 워낙 다양한 뇌 영역이 관여되기 때문에, 그 핵심 영역을 밝히는 것이 쉽지 않았다. 따라서 많은 과학자들은 다양한 연구결과를 종합하는 메타-분석을 이용하여 추론에 대한 신경 기작을 이해하고자 하였지만 기존의 뇌영상 연구에서 쓰이던 메타-분석 모델들은 대뇌 피질의 복잡하게 접힌 구조(folded geometry)를 제대로 반영을 못하는 등 많은 문제점들이 있었다.

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 피질 표면에서의 베이즈 기반 메타-분석(BMACS)’이라는 새로운 모델을 개발하였다. BMACS는 여러 연구에서 보고된 뇌 활성 영역들을 바탕으로 공간적 점 과정을 피질 표면에 적용하여 핵심 인지 과정의 공간 패턴에 대해 빠르고, 정확하며, 접근이 쉬운 분석을 가능케 한다. 더 나아가, BMACS를 통해 사람이 추론을 할 때 공통적으로 보이는 뇌 활성화 패턴을 관찰했고, 이 패턴이 다양한 인지 과정에 관여하는 다중 요구 시스템(Multiple-Demand System)의 패턴과 굉장히 유사한 것을 알게 되었다. 이를 통해 추론은 복잡한 인지 과정들이 종합적으로 요구되는 좀 더 고도의 상위 인지 과정임이 밝혀졌다. 또한 새로운 분석 모델 개발을 통해 인간 두뇌의 해부학적 구조가 좀 더 정확하게 반영된 새로운 인지신경과학 연구 수행에 박차를 가할 수 있으리라 기대한다.

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

인간을 다른 동물과 구분하는 대표적인 능력인 추론에 뇌의 어떠한 영역이 관여하는지는 오랫동안 연구자들이 답하고자 했던 질문이었다. 하지만 기존의 연구들이 서로 상반된 결과를 내놓으면서 합의된 결론에 도달하지 못하고 있었다. 이번 연구에서 우리 연구팀이 새로 개발한 메타-분석 모델을 적용하여 추론 과정에 관여하는 뇌 영역이 다중 요구 시스템에서 활성화되는 패턴과 유사함을 확인하였다. 결국 추론은 복잡한 인지 과정들이 종합적으로 요구되는 좀 더 고도의 상위 인지 과정임이 밝혀졌다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

이번 연구를 통해 밝힌 추론의 신경학적 기전을 기반으로 노화 혹은 퇴행성 뇌질환 환자들에게서 보이는 인지 기능 저하의 원인과 해결책을 제시하는 데 있어 여러방면으로 활용될 수 있다. 또한 우리 연구팀이 새로 개발한 BMACS 분석 모델은 다른 여러 인지 과정의 신경학적 기전을 밝히는 데에도 사용될 수 있으므로 그 활용 가능성은 무궁무진하다고 할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

추론 관련 뇌영역에서의 변화가 실제로 사람에게 어떠한 영향을 끼치는지는 실제 환자를 대상으로 하는 병변 연구, 경두개 자기자극법을 통한 뇌신경 조절 연구 등 다각도에서의 검증이 필요하다. 따라서 이러한 과제들을 해결하는데 있어서 상당한 시간이 소요될 것으로 예상된다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

전현애 교수 연구팀은 사람에게서 특이적으로 관찰 가능한 고위 인지 기능의 신경학적 기전을 연구해오고 있다. 본 연구는 고위 인지 기능에서도 인류가 오래 전부터 관심을 갖던 추론의 신경학적 기전을 밝히고자 도전적으로 시작한 과제이다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

인지기능 관련 brain mapping은 단순히 각 영역의 연결성과 특이성을 밝히는 것에 그치지 않고, 우리 뇌에 이상이 생겼을 때 그 원인을 잘 파악하고 적절히 대응할 수 있는 기반을 제시하는 것이라 할 수 있다. 또한 최근 인공지능의 발전에 있어서도 인간 지능에 대한 이해가 중요한 한 축을 담당하고 있는데 본 연구와 같은 시도들이 계속되어 인간의 인지기능에 대한 이해도가 점차 높아진다면, 추후 인공지능의 응용 및 발전에도 큰 기여를 할 수 있을 것이라 기대된다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

복잡한 행동을 수행하는데 필요한 여러 가지 시퀀스(sequence)를 처리하기 위해 사용되는 뇌신경기제에 관심이 많다. 추론도 사실은 여러 명제가 sequence를 이뤄 처리되는 형태라고 볼 수 있고, 이외에도 암묵적 sequence 학습, sequence의 층위 처리에 대한 연구가 진행 중이다. 작년부터는 시간 흐름의 측정과 관련 된 연구도 시작하여, 흥미로운 결과들을 도출하고자 최선의 노력을 다하고 있다.

 

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그림 설명

[그림 1] 연구를 통해 새로이 밝힌 ‘추론’의 신경학적 기전

 

 본 연구를 통해 추론 과정에 관여하는 뇌 영역이 다중 요구 시스템의 주요 뇌 영역과 깊은 관련이 있다는 것이 새로 제시됨. 이번 연구에서 새로 개발된 BMACS라는 메타-분석 모델을 사용하여 추론 과정에 배외측 전전피질, 전두극피질, 내측 전전두피질 등의 뇌 영역이 핵심적으로 관여한다는 것이 밝혀짐.
 
 
[그림 2] 연구팀이 새로 개발한 BMACS의 개관
 

 

본 연구팀이 새롭게 개발한 피질 표면에서의 베이즈 기반 메타-분석(BMACS)의 흐름도. 

 

 

 

 

 

 

 

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