인지심리 매니아

출처: ScienceDaily (June 10, 2010) 

번역: 인지심리학 매니아

새로운 비침습적 기술

뇌 의 이상을 진단하고 치료하는 새로운 기술이 개발되었다. Arizona State University의 신경과학자 William "Jamie" Tyler는 반복되는 초음파로 뇌를 자극하는 비침습적(nooninvasive) 방법을 개발했다.

6월 9일 Neuron에 게재된 이 논문은 초음파가 쥐의 motor cortex에서 활동 전위(action potentials)를 자극할 뿐만 아니라 과거 침습적 방법(electrode를 뇌의 심는 방법 등)으로만 가능하던 동작 반응을 유도해 냈다고 주장한다.

종전에는 transcranial magnetic이나 deep brain stimulation, electroconvulsive shock therapy, transcranial direct current stimulation 등의 방법을 이용하여 간질이나 파킨슨, 만성 통증, coma, 근긴장이상증, 정신 이상, 우울증 등을 치료해 왔다. 그러나 이 방법들은 약점을 지니고 있다고 Tyler는 말했다. 종전 방법들은 수술이나 유전적 조작이 필요했으며, 공간 해상도도 낮은 편이었다. 예를 들어 광유전학(Optogenetics)은 신경 회로를 조작하기 위해 동물의 뇌에 유전자(다른 생물체에서 가져온)를 결합하는 방법을 사용했다.

"과학자들은 지난 80년 동안 초음파가 신경 활동에 영향을 미친다는 사실을 알고 있었다"라고 Tufail은 말했다. "이 분야의 선구자들은 침습적 방법을 사용하기 전 신경 조직에 초음파를 노출시켰다. 이 연구들은 위와 같은 처치가 전기적 자극에 반응하는 정도에 영향을 미친다는 사실을 밝혀왔다."

"하지만 우리 연구는 오직 초음파만을 사용하여 수술 없이도 활동 전위를 유발해 냈다"라고 Tufail은 설명했다.

"우리는 기존연구를 통해 초음파가 뇌조직 샘플에서 활동 전위를 유발한다는 사실을 알고 있었다"라고 Tyler는 말했다. "초음파를 피부를 통해 살아있는 동물의 뇌까지 흘려보내는 일은 꽤 어려운 일이었다"

이런 어려움에도 불구하고 연구진은 초음파가 밀리미터 단위의 공간 해상도로 뇌를 자극할 수 있음을 보여주었다. "1세기 로마의 내과의사였던 Scribonius largus는 electric torpedo fish를 두통 환자의 머리 위에 올려놓는 방법으로 통증을 치료했다. 우리 연구는 음파를 뇌 기능 조작이나 연구에 사용할 수 있는 새로운 길을 개척했으며, 뇌의 이상을 진단하는 데도 사용될 것이다"라고 Tyler는 말했다.

초음파와 인지적 기능

그와 더불어 이 연구는 뇌의 피질하부를 연구를 통해 초음파가 인지적 기능을 수정할 수도 있다는 사실을 밝혀냈다.

"우리는 초음파가 해마에서 일어나는 뇌파인 sharp-wave ripples(파형의 일종- 역자 주)에 영향을 미친다는 사실을 발견하고는 깜짝 놀랐다. 이 파형은 기억을 구성하는 동안 관찰할 수 있는 파형이다."

연 구자들은 또 초음파가 해마에서 Brain-derived neurotophic factor(BDNF. 뇌와 말초에서 발견되는 신경 친화성 인자(neurotrophic factor). 중추신경계와 말초 신경계의 일부 신경세포에 작용하는 단백질이다. BDNF는 기존의 신경 세포의 생존을 지지해주고 새로운 시경세포 및 시냅스의 분화 및 성장을 촉진시킨다. - 출처: http://blog.daum.net/hopeforgod/16148794)을 생성해낸다는 사실을 발견했다. --BDNF는 뇌의 가소성을 담당하는 역할을 맡기도 한다--   Tyler는 초음파가 활동 전위를 유발하며, 의미있는 뇌파를 유도하고, BDNF 생성에 관여한다는 사실에 비추어 인지적 기능 역시 향상될 것이라고 생각했다. 어쩌면 정신 지체나 알츠하이머 같은 질환의 치료수단으로도 활용할 수 있을 것이다.

이들의 데이터에 의하면 낮은 강도의 초음파에 반복적으로 노출된 쥐(rodent)는 건강에 아무런 이상이 없었다고 한다. "우리는 정상인 뇌를 초음파로 자극한 결과 낮은 강도의 초음파는 반복적 노출에도 불구하고 안전하다는 사실을 알아냈다"라고 Anna Yoshihiro는 말했다. Yoshihiro는 파킨슨병을 앓고 있는 원숭이를 대상으로 실험을 하고 있으며, 간질 발작을 일으키는 쥐를 초음파를 통해 치료하기도 했다.

Monica Li Tauchmann은 실험이 성공했던 때를 회상하며 이렇게 말했다. "저는 실험을 도와 주고 있었어요. 우리는 살아있는 쥐의 뇌를 초음파로 자극했습니다. 처음에는 아무 일도 일어나지 않았어요. Tyler가 초음파의 waveform parameter에 변호를 주자 쥐가 움직이기 시작했습니다. 우리는 며칠동안 실험을 계속했고 쥐는 멀쩡했어요. 아무 일도 없었다는 듯이 마취에서 깨어났습니다. 우리 모두 신기하다고 생각했습니다."

Tyler는 이 초음파를 통한 죄 조작이 여러 분야에 활용될 수 있다고 생각했다. 의학적 용도 이외에 게임이나, 엔터테인먼트, 의사 소통 분야에서도 이 장비들이 사용될 수 있을지 모른다.

"우주 여행, 휴대용 컴퓨터, 인터넷, GP -- 얼마 전만 해도 이런 일들은 과학 소설에나 나올법한 이야기였다. 이제 이런 일들이 현실화되고 있다"라고 Tyler는 말했다. "아마 다음 세대는 개인화된 컴퓨터 클라우드를 통해 정보를 다운로드 받거나 동시에 초음파를 통해 내용들을 뇌 속에 부호화할지도 모른다."

"To be honest," he adds, "we simply don't know yet how far we can push the envelope. That is why many refer to the brain as the last frontier -- we still have a lot to learn."

Journal Reference:

1. Yusuf Tufail, Alexei Matyushov, Nathan Baldwin, Monica L. Tauchmann, Joseph Georges, Anna Yoshihiro, Stephen I. Helms Tillery, William J. Tyler. Transcranial Pulsed Ultrasound Stimulates Intact Brain Circuits. Neuron, 2010; 66 (5): 681-694 DOI: 10.1016/j.neuron.2010.05.008

Posted by 인지심리 매니아

타 인의 행동에 대해서 잘잘못을 따질 때 우리는 어떤 요소를 고려할까? 무엇보다 중요한 것은 행위자의 내적 상태(mental states)일 것이다. 행위자에게 정말 고의가 있었는지, 발생한 결과에 대해 예상하고 있었는지 여부를 판단해야 행위자를 비난할 수 있기 때문이다. 타인의 내적 상태를 파악하는 것은 어린이에게 힘든 일이지만, 성장과정에서 차츰 발달하며 성인에 이르면 노련해지게 된다.

그 렇다면 뇌의 어떤 부위가 타인의 내적 상태를 파악하는 데 사용될까? fMRi 연구 결과에 의하면 medial prefrontal cortex, precuneus, temporoparietal junction이 타인의 내적 상태를 파악하는 데 동원된다. 특히 오른쪽 측두정엽(right temporoparietal junction, RTPJ)은 타인이 어떤 행동을 했을 때 그 행동에 대한 믿음(belief)를 가지고 있었는지 판단한다. 예를 들어, 타인을 죽이려는 누군가가 설탕을 독약으로 믿고 커피에 설탕을 탔다면, 행위자는 가루가 독약이라는 믿음을 가지고 있었던 것이다. RTPJ는 우리가 "행위자의 행위 과정에서 자기 행동에 대한 믿음을 가지고 있었는지" 판단할 때 활성화된다.

그 럼, 이 부위가 고장 나서 작동하지 않는다면 행위자에 대한 비난도 감소할까? RTPJ가 마비돼서 행위자의 믿음을 알 수 없다면, 그 사람이 설탕을 독약이라고 믿지 않았다고 판단하게 될 것이다. 따라서 행동에 대한 비난도 감소할 것이다. 참 재미있는 가정이다. 만약 배심원의 RTPJ를 마비시킬 수만 있다면 희대의 살인마도 무죄로 풀려날 수 있을테니 말이다. 배심원들은 "피고가 목을 조르긴 했지만, 죽을거라고 믿지는 않았을 거에요"라고 말할 것이다.

실험

Young, Camprondo, Hauser, Pascual-Leone, Saxe는 이 재미난 생각을 실험으로 입증해보였다. 이들은 피험자에게 일련의 상황을 보여주고 행위자의 행동이 얼마나 잘못되었는지 판단하게 했다.

피험자들은 다음과 같은 순서로 이야기를 보게 된다.

 

6초	background
6초	foreshadow "그 가루는 설탕이었다"
6초	믿음 "그녀는 그 가루가 독약이라고 믿었다"
3초	행동 "그녀는 그 가루를 친구의 커피에 탔다"
3초	도덕적 판단 "그 가루를 커피에 타는 행동은 금지되어야 한다 1-2-3-4-5-6-7 허용가능하다"

피 험자들은 모니터 화면을 통해 각 문장을 6초씩 순서대로 보게 된다.  foreshadow의 경우 부정적인 경우(독약인 경우) 또는 중립적인 경우(설탕)가 제시된다. 믿음 역시 부정적 또는 중립적(독약/설탕이라고 믿었다)인 경우가 제시된다. 따라서 동일한 시나리오에서 2 x 2 =4가지의 이야기 유형을 만들어 낼 수 있다. 피험자들은 총 6개의 이야기를 보는 동안 각 이야기마다 이렇게 4가지의 변형된 이야기를 보게 된다. 결국 총 24가지의 이야기를 보게 되는 셈이다.

각 이야기가 제시되고 난 다음에는 행위자의 행동이 잘못되었는지를 판단하게 된다. 그 행위가 정말 해서는 안될 행동이라면 1점, 허용 가능하다면 7점을 주면 된다.

연 구자들은 행위자의 믿음에 관한 문장이 제시되는 순간 참가자의 TMS(경두개 자기 자극)를 이용해서 참가자의 RTPJ를 일시적으로 마비시켰다(전기로 뇌 일부를 마비시킨다고 이해하면 쉬울 것이다). 이렇게 RTPJ가 마비된다면 행위자의 믿음에 관한 정보가 우리 뇌로 들어오는 것이 차단될 것이고, 참가자는 행위자의 행동이 허용 가능하다고 판단될 것이다.

결과

실험 결과, 연구자의 가설과 일치하는 결과를 일부 발견했다.

TMS로 RTPJ가 마비된 참가자는 통제조건의 참가자보다 행위자의 행위를 허용 가능하다고 판단했던 것이다(그래프에서 RTPJ-TMS 조건이 전반적으로 점수가 높음에 유의).

큭 히 attemped harm(행위자는 가루를 독약으로 믿었는데 실제로는 설탕이었던 경우, 그래프에는 나와 있지 않음)의 경우 RTPJ가 마비되면 그렇지 않은 경우보다 행위자에 대한 비난을 덜하는 경향을 보였다[independent samples t test: t(81)=2.11, P = 0.038].

그 러나 연구자들은 참가자가 Belief에 대해서 완전히 생각을 못하게끔 만들지는 못했다. accidental harm(설탕이라고 생각했는데 독약이었던 경우)과 intentional harm(독약이라고 생각했고 실제로도 독약이었던 경우)을 비교해 봤을 때 전자가 훨씬 허용가능하다고 응답했던 것이다. 피험자의 뇌를 완벽하게 조작했다면 두 조건간 허용 가능 정도는 똑같았을 것이다.

비록 효과가 약하기는 했지만 우리는 행위자의 믿음을 판단하는 것이 행위의 잘못을 판단하는 데 영향을 미친다는 것과, 뇌의 특정 부위가 이런 판단과 밀접한 관련이 있음을 알았다. 이 런 연구는 어린이의 성장 과정에서 타인의 행동에 대한 판단이 어떻게 성숙하는지, 또 자폐아가 타인의 행동을 판단하는 과정에 많은 도움을 줄 것으로 보인다. 더 나아가서, 인간의 도덕판단이 어떻게 이루어지는지 과학적으로 밝혀내는 데 도움을 줄 것이다.

Reference

Young et al, Disruption of the right temporoparietal junction with transcranial magnetic stimulation reduces the role of beliefs in moral judgments, PNAS, 2011