개인의 뇌가 행동을 어떻게 제어하는지 드러내다: 연구

Stanford Medicine 의 새로운 연구에 따르면, 많은 사람의 뇌 스캔 데이터를 평균화하여 인지 과정을 연구하는 것은 개인이 자신의 뇌를 어떻게 사용하는지를 숨긴다는 것을 보여줍니다.

특히 목표 지향적 작업 (goal-oriented tasks) 에 어려움을 겪는 아이들은 데이터가 개별적으로 분석될 때, 능력의 혼합된 그룹의 일부로 분석될 때와 달리 뚜렷한 뇌 활동 패턴을 보입니다. 이러한 발견은 주의력 결핍 과다 활동 장애 (attention-deficit/hyperactivity disorder) 와 같은 조건에서 뇌가 어떻게 작동하는지를 이해하는 데 함의를 가지며, 4 월 27 일 Nature Communications 에서 발표될 예정입니다.

"개인의 뇌 내부에서 역학이 어떻게 전개되는지 조사하면 개인 차이의 신경과학에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있으며, 기존의 접근법으로는 답할 수 없는 질문들을 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다."라고 정신과 행동과학 연구원이자 연구의 주저자인 Percy Mistry, PhD 가 말했습니다.

Mistry 는 정신과 행동과학 연구 데이터 분석가인 Nicholas Branigan, MS 와 공동 저자권을 공유합니다. 고등저자는 정신과 행동과학 교수이자 Rachael L. and Walter F. Nichols 의 MD Professor 인 Vinod Menon, PhD 입니다.

이 연구는 4,000 명 이상의 아이들을 대상으로 억제적 인지 제어 (inhibitory cognitive control) 를 평가했습니다. 억제적 인지 제어란 사람이 작업을 수행하는 동안 방해되거나 불필요한 정보를 뇌가 억제하는 과정입니다. 연구자들은 아이들의 뇌 스캔 데이터를 평균화하여 얻은 결과와 동일한 작업을 반복하며 수행하는 각 아이의 시간적 역학 (temporal dynamics) 을 분석하여 얻은 결과를 비교했습니다.

"우리의 연구는 인간 신경과학, 심리학 및 정신의학에서 개인화에 대한 성장하는 움직임에 대한 이론적 지원을 제공합니다."라고 Branigan 이 말했습니다.

이 접근법은 인지 제어와 성능 모니터링 (성능 모니터링: 실수를 한 후 전략을 수정할 수 있는 능력) 의 수준이 다른 아이들의 하위 그룹을 식별할 수도 있었습니다.

예를 들어, 좋은 인지 제어와 성능 모니터링을 가진 아이들과 나쁜 인지 제어 및 성능 모니터링을 가진 아이들은 매우 다른 — 때로는 반대되는 — 뇌 역학을 보였습니다.

행동과 뇌 활동을 연결하는 연구들이 일반적으로 그룹의 데이터를 평균화하여 결론을 도출한다는 점을 지적한 Menon 은 "우리의 연구는 그룹 평균이 뇌가 행동을 어떻게 역학적으로 조절하는지에 대해 우리를 근본적으로 오도할 수 있음을 명확히 보여줍니다"라고 말했습니다.

속도 - 정확성 트레이드 오프에서 단서

심리학자들은 오랫동안 그룹을 연구할 때 서로 연결되어 보이는 행동들이 개인에서는 동일한 방식으로 관련되지 않을 수 있다는 것을 알고 있었습니다. 가장 좋은 예는 속도 - 정확성 트레이드 오프 (speed-accuracy trade-off) 입니다: 만약 여러분에게 빠르게 산술 문제를 해결하는 등의 작업을 수행하라고 요청한다면, 더 빠른 사람들은 일반적으로 더 정확하게 됩니다. 그러나 만약 여러분이 한 개인에게 더 빠르게 하라고 요청하면, 그들의 정확성은 감소할 가능성이 높습니다 — 또는, 여러분이 한 사람이 더 정확하게 하라고 요청하면, 그들은 아마도 느려질 것입니다.

전문가들은 유사한 현상이 뇌 내부에서 숨겨진 방식으로 작용하는지 궁금해했습니다.

Stanford Medicine 팀은 억제적 제어를 측정하는 작업을 수행하는 아이들의 뇌 스캔 데이터를 분석했습니다. 작업을 집중하거나 목표를 달성하려면, 사람은 방해 요소와 관련 없는 것에 주의를 기울이려는 충동과 목표 달성에 반하는 행동이나 충동적 행동을 억제해야 합니다.

억제 조절은 일을 해낸다. 억제 조절의 부족은 ADHD, 양극성 장애, 중독 등 여러 정신과 진단의 특징이다. 억제 조절이 어떻게 정상적으로 작동하는지 — 그리고 그것이 왜곡되는 방식 — 을 이해하면 이러한 질환에 대한 더 나은 행동 치료 개발을 안내할 수 있다.

개인별 결과가 다른 방향으로 진행됨

연구팀은 Adolescent Brain and Cognitive Development 연구 (청소년 뇌 및 인지 발달 연구) 의 기초 방문으로 수집된 4,000 명 이상의 9 세 또는 10 세 어린이의 데이터를 분석했다. 이 연구는 초기 성인기로 뇌 성숙을 추적하는 장기 연구이다.

어린이들의 뇌는 억제 조절을 평가하기 위해 설계된 활동을 수행하면서 기능적 자기공명영상 (fMRI) 을 통해 스캔되었다. 이 활동은 '스톱-신호 과제'로 불리며, 화면에 표시된 프롬프트에 반응하여 버튼을 누르는 것을 포함한다. 어린이가 화면에 "Go"를 볼 때마다, 가능한 한 빠르게 버튼을 누르도록 요청했다. 때로는 "Go" 표지 바로 뒤에 추가적인 "Stop" 표지가 즉시 따라왔다. 어린이들은 이 빈번하지 않은 예측 불가능한 Stop 신호를 볼 때 버튼을 누르는 것을 피해야 했다.

연구팀은 각 시행 동안 뇌가 수행하는 측면을 분석했는데, 이는 어린이들 간의 비교와 동일한 사람이 여러 번의 과제 수행을 분석할 때 모두 해당된다.

연구팀은 개인 수준과 집단 전체 수준에서 다른 뇌-행동 연결을 발견했다.

예를 들어, 어린이 그룹들의 평균 경향을 분석할 때, "Go" 신호에 대한 더 느린 반응 시간은 많은 뇌 영역의 증가된 활동과 연관되어 있었다. 이는 방치 모드 네트워크 (default mode network) 를 포함하며, 이 네트워크는 일상의 꿈, 자기 자신에 대한 생각, 그리고 마음의 산책에 관여한다.

그러나 개인이 "Go" 신호에 더 느린 반응 시간을 가질 때, 방치 모드 네트워크의 활동은 감소했다 — 이는 집단 수준의 패턴과 반대였다.

"집단 수준의 연관성은 개인 수준에서 처리 속도를 지배하는 신경 역학을 본질적으로 잘못 묘사한다," 연구팀은 썼다.

"개별 뇌 내에서 역학이 어떻게 전개되는지 조사하면 개인의 차이의 신경과학에 중요한 통찰력을 제공할 수 있으며, 우리가 기존의 접근법으로 답변할 수 없는 질문들을 해결하는 데 도움을 줄 수 있다."

—Percy Mistry

연구팀은 또한 어린이들이 스톱-신호 과제의 여러 반복 동안 반응이 어떻게 적응되는지 연구하기 위한 수학적 모델을 개발했다. 적응 (좋은) 조절을 보인 어린이들은 첫 번째 "Stop" 신호를 넘어서는 대로 더 빠른 정지 반응을 보였으며, 각随后的 시행이 다른 "Stop" 신호일 가능성이 높다고 올바르게 예상했다. 부적응 (나쁜) 반응을 보인 어린이들은 반대 패턴을 보였으며, 이는 두 번째 "Stop" 신호의 기대치가 감소함을 나타냈다. 이 차이는 스캔에 나타나며, 적응적 조절과 부적응적 조절을 보인 어린이들 사이에서 특정 뇌 영역의 활동에 반대 반응을 나타낸다.

분석은 또한 전체 어린이 그룹에서 보이는 일부 효과가 하나의 그룹의 어린이들에 의해 주도된다는 것을 보여주었다; 즉, 평균 결과는 많은 어린이들의 뇌에서 일어난 것을 가렸다.

다양한 경로

연구자들은 인지적 통제 (cognitive control) 가 전두엽 등 뇌의 다른 부분들이 orchestrate(조율) 하는 다중 구성 요소로 이루어져 있으며, 이는 사전적 통제 (proactive control: 멈추기 위해 준비하는 것) 와 반사적 통제 (reactive control: 실제로 멈추는 것) 를 포함한다고 발견했습니다. 인지적 통제가 강한 아이들과 약한 아이들 사이에서 이러한 하위 과정에 사용되는 뇌 영역은 항상 서로 다른 방식으로 소통하지 않습니다.

"인지적 통제가 약한 아이들은 더 사전적 접근법이나 대체 인지 경로를 통해 이를 보상할 수 있습니다," 미스트리 (Mistry) 는 말했습니다. "그것은 흥미로운 점으로, 인지적 통제가 아이들이 가진 정적인 능력 (static capacity) 이 아니라, 여러 방식으로 조절되거나 구동될 수 있는 것으로 대화를 이동시킵니다."

연구자들은 ADHD 를 가진 아이들을 돕기 위해 새로운 접근법을 설계하는 데 도움이 될 수 있다고 덧붙였습니다. "교실 전략을 고려한다면, 이 데이터는 억제적 인지적 통제가 단일 능력 (single capacity) 이 아님을 시사합니다. 여러 경로가 관여되어 있으며, 학생들은 억제적 통제 접근법에 더 사전적으로 참여하기 위해 특정 경로를 학습할 수 있습니다," 그는 말했습니다.

이 연구는 뇌 기능의 인간 변이를 이해하는 새로운 가능성을 열 뿐만 아니라, 신경과학자들이 각 사람이 특정 상황에 어떻게 반응하는지 조사하도록 독려해야 합니다. 멘온 (Menon) 은 덧붙였습니다.

"우리는 실제로 각 사람의 고유한 뇌 반응을 주의 깊게 살펴봐야 합니다. 왜냐하면 우리는 구체적인 상황에서 실시간으로 행동이 펼쳐지는 것을 이해하고, 필요시 수정하기 때문입니다," 그는 말했습니다. "평균적인 뇌라는 것은 없습니다. 진정한 질문은 '특정 상황과 변화된 맥락에 주의와 행동의 적응적 조절을 요구하는 상황에 이 아이나 어른이 어떻게 반응하는가'입니다. 그것이 인지적 통제는 어떤 응답을 언제 그리고 어떤 상황에서 취해야 하는지 아는 것입니다."

청소년 뇌 및 인지 발달 (Adolescent Brain and Cognitive Development) 연구의 데이터는 정신건강 국립연구소 (National Institute of Mental Health) 데이터 아카이브에 보관됩니다.

ABCD 연구는 U01DA041048, U01DA050989, U01DA051016, U01DA041022, U01DA051018, U01DA051037, U01DA050987, U01DA041174, U01DA041106, U01DA041117, U01DA041028, U01DA041134, U01DA050988, U01DA051039, U01DA041156, U01DA041025, U01DA041120, U01DA051038, U01DA041148, U01DA041093, U01DA041089, U24DA041123 및 U24DA041147 번의 보조금 번호로 국립보건원 (National Institutes of Health) 과 추가 연방 파트너에 의해 지원됩니다. 지원자 전체 목록은 https://abcdstudy.org/federal-partners.html 에서 이용 가능합니다.

스탠포드 메디컬에서 이 작업은 국립보건원 (grant MH121069 및 MH124816), 국립과학기금 (grant 2024856) 과 스탠포드 모유수유 및 아동 건강 연구 기금에 의해 지원되었습니다. 또한 스탠포드 대학교와 스탠포드 연구 컴퓨팅이 계산 자원과 지원을 제공하여 연구 결과에 기여했습니다.