인생에서는 카드 놀이를 할 때 카드의 순서를 생각하거나, 여행할 때의 경로를 계획하거나, 작업 내용의 순서를 정리하는 등 모든 정보를 암기하고, 시퀀싱하고, 유연하게 불러 왔습니다.

순서는 너무 빈번하고 자연스러워서 사람들은 종종 이러한 작업이 얼마나 복잡한지 깨닫지 못합니다. 이러한 종류의 분류 작업을 수행하기 위해 컴퓨터를 사용하는 경우 하드웨어와 알고리즘의 협력을 통해 정보를 인코딩, 저장, 계산, 비교 및 호출하기 위해 일련의 지루한 단계를 인코딩, 저장, 계산, 비교 및 호출해야 합니다. 그렇다면 뇌는 어떻게 이 기능을 수행할까요?

　　不同於計算機的硬體結構，大腦是由上億個神經元細胞組成的龐大網路。人們雖然瞭解它的種種認知功能，卻對其底層邏輯所知甚少，如同一個“黑盒子”。近日，一項研究通過對獼猴進行心理排序任務時神經元活動的記錄和分析，揭示了大腦的工作記憶模式。該研究題為《獼猴額葉皮層對空間序列資訊的工作記憶程式設計》，於2024年9月27日發表在《科學》（Science）雜誌上，作者是來自中國科學院腦科學與智慧技術卓越創新中心（以下簡稱“腦智卓越中心”）的王立平團隊。

이 연구에서는 두 마리의 원숭이가 지연된 염기서열 분석 작업을 수행하도록 훈련되었습니다. 그들은 다른 순서로 화면에 나타나는 점을 기억한 다음 메시지가 표시되면 시퀀스를 앞뒤로 정렬하고 마지막으로 화면을 터치하여 결과를 보고해야 합니다. 연구진은 원숭이의 전전두엽 피질에 마이크로 드라이브 전극 배열을 이식하고 수천 개의 뉴런의 전기 활동을 기록한 다음 결과를 수학적으로 설명하여 나타나는 패턴을 분석했습니다.

이 연구는 염기서열분석 작업에서 각 순서의 정보가 뉴런의 다양한 전역 상태를 반영하는 해당 "부분 공간"에 기록된다는 것을 발견했습니다. 역순이 필요한 인지적 작업에 직면했을 때, 부분공간의 순차적 정보는 임시 부분공간을 형성하여 정보를 저장하고 전송함으로써 교환됩니다. 또한 원숭이가 다른 규칙의 순서 정보를 순서 또는 역순으로 호출하도록 요청받을 때 정보의 흐름을 제어하기 위해 규칙을 저장하는 하위 공간이 있습니다.

이 연구는 뇌의 작업 기억의 기본 논리에 대한 이해를 심화시킵니다. 이러한 공간 패턴을 사용하여 연구자들은 원숭이가 본 것과 그들이 보는 것을 거꾸로 정렬하여 마치 "마음 읽기"인 것처럼 추론할 수 있었습니다.

원숭이와 인간의 분류 능력의 차이점은 무엇입니까? 이 "하위 공간"이 나타내는 뇌 법칙을 어떻게 이해해야 할까요? "의식"과 같은 더 복잡한 인지 현상을 연구하는 방법은 무엇입니까? 이러한 질문에 답하기 위해 더 페이퍼는 최근 연구의 제1저자이자 뇌 우수성 센터(Center for Excellence in Brain)의 박사 과정 학생인 티안 정허(Tian Zhenghe)와 지능 우수성 센터(Center for Excellence in Intelligence)의 교신 저자이자 연구원인 리핑 왕(Liping Wang)을 인터뷰했다.

　　기능에서 바닥으로: 작업 기억의 "블랙 박스" 열기

신경인지 과학에서 마음 속의 사물을 정렬하는 것은 작업 기억과 밀접한 관련이 있다고 생각됩니다. 장기 기억과 달리 작업 기억은 주로 즉시 직면해야 하는 인지 상황에 대응하여 단기 기억의 유지 및 종적 관리를 포함합니다.

"많은 이론이 어떤 직관적인 경험에서 생겨나고, 그 이론들은 끊임없이 수정되고 있습니다." 왕리핑(Wang Liping)은 "장기 기억과 단기 기억의 차이는 매우 직관적이다 - 어떤 것은 오랫동안 기억할 수 있는 반면, 다른 것들은 빨리 잊혀진다. 나중에, 기억은 뇌에서 '압축'과 같은 '종적'이라는 것이 밝혀졌습니다 : 많은 기억은 세부 사항을 누락하고 인상 만 있습니다. 단기 기억에서 이 종단적 기억은 제한된 용량의 기억을 결합하여 순간의 문제를 해결하는 데 구현됩니다. '기억'만 있고 '일'은 없다면 아무것도 할 수 없다. ”

왕리핑(Wang Liping)은 작업 기억의 종단적 부분은 추론과 같은 인지 과정과 관련이 있으며, 이는 상대적으로 복잡하며 관련 연구는 아직 거의 없다고 말했다. 본 연구는 이러한 간극을 메우는 것을 목표로 한다.

기억의 저장이든 생산이든, 뇌의 물리적 수준에서 해당 과정을 찾고 검증하여 완전한 설명을 형성해야 합니다. 구조적으로나 형태학적으로, 뇌는 대략 전두엽, 두정엽, 측두엽, 후두엽의 네 부분으로 나뉩니다. 이전 연구에서는 전전두엽 피질의 뉴런이 작업 기억 작업에서 지속적인 활동을 보이며 뇌의 다른 영역에 영향을 미치는 신호를 위에서 아래로 보낼 수 있다는 것을 발견했습니다.

세포 수준에서 뇌는 시냅스로 연결된 수억 개(인간의 경우 860억 명)의 다양한 유형의 신경 세포로 구성된 복잡한 네트워크이며 전류와 같은 송신기를 통해 통신합니다. 이러한 관점에서 볼 때, 뇌는 컴퓨터처럼 기능적으로 명백한 모듈화된 방식으로 작동하는 것이 아니라, 오히려 거대한 병렬 네트워크로 작동한다: 동일한 뉴런들이 서로 다른 인지 활동에 광범위하게 관여할 수 있다.

　　隨著技術的發展，科學家們已經能夠同時監測更多單個神經元的活動，從底層還原大腦的運行狀態。在這項研究中，研究者們使用了157通道的微電極陣列同時測量了獼猴前額葉皮質中4191個神經元在工作記憶任務過程中的活動狀況。

뉴런 활동을 모니터링할 수 있는 기술적 수단을 통해 연구자들은 측정 및 분석이 강력한 해석으로 이어질 수 있도록 적절한 실험을 설계해야 합니다. Wang Liping은 작업 기억이 복잡한 인지 기능을 포함하지만 명확하고 간단한 프로세스로 나눌 수도 있다고 믿습니다.

"진정한 지능은 추상적입니다. 그러나 추론, 수학, 기호 사용 등과 같이 뇌에서 복잡한 것으로 간주되는 높은 수준의 인지 기능의 표현을 연구할 수 있습니다. 우리가 질문들을 분해하고 결합하는 올바른 방법을 찾는 한, 우리는 의식에 관한 질문들과 같은 더 추상적인 질문들에 답하려고 노력할 수 있다. 그가 말했다.

이 연구에서는 독창적인 실험을 통해 정신 시퀀싱을 세 단계로 나눴습니다. 첫 번째 단계에서 원숭이는 순차적으로 깜박이는 화면의 700에서 0 사이의 점을 기억해야 합니다. 짧은 지연(0-0밀리초) 후 두 번째 단계에서 원숭이는 이미지를 보게 되며, 오이를 본다면 순서대로 보고해야 한다는 것을 의미합니다. Apple이 표시되면 주문을 거꾸로 보고해야 합니다.

이런 식으로 원숭이는 순차적인 기억을 뇌에 저장하고 이러한 기억에 대해 정방향 또는 역방향 종방향 기억을 수행합니다. 또한 잠시 후 마지막 단계에서 프레젠테이션 시작을 알리는 그림(파란색 점)이 표시되고 화면을 터치하여 결과를 탭하라는 메시지가 표시됩니다.

연구에 사용된 원숭이들은 장기간에 걸쳐 훈련을 받았기 때문에 작업에 집중할 수 있었고 그림 지침의 의미를 이해할 수 있었습니다. 티안 정허(Tian Zhenghe)는 더 페이퍼와의 인터뷰에서 기억의 순서와 심지어 상징을 이해하는 것은 많은 동물들이 숙달한 것이며, 인간에게만 있는 '고급' 활동이 아니라고 말했다. 이런 의미에서 원숭이 실험은 인간 뇌의 법칙을 탐구하는 데 중요한 참고 자료가 될 수 있습니다.

　　뇌 특성화: 신경망의 작동 방식 설명

염기서열분석 작업 중 원숭이의 뉴런 활동을 측정한 후, 다음 단계는 데이터를 분석하여 뇌가 그 과정에서 무엇을 "하는지" 확인하는 것입니다.

기억과 염기서열 분석 작업에 직면했을 때, 원숭이의 뇌에 있는 뉴런은 동시에 활성화되며, 각 뉴런의 발화 강도는 높은 것부터 낮은 것까지 다양하여 뇌의 다른 상태를 형성합니다. Wang Liping은 심포니 오케스트라와 같다고 말하면서 곡을 연주하지만 다른 구성원의 멜로디, 리듬 및 힘이 다릅니다. 개별 멤버를 "String Ensemble"과 "Wind Ensemble"과 같은 하나의 카테고리로 그룹화하면 "표범을 엿볼 수 "전체 레퍼토리의 패턴을 탐색 할 수 있습니다.

연구자들은 먼저 과제 자극과 뉴런 상태 사이의 연관성을 확립하기를 원했다. 이는 단일 뉴런의 상태(종속 변수 y)와 순서 정보(독립 변수 x) 사이의 관계에 대한 방정식을 설정하는 것으로 이해할 수 있으며, 여기서 뉴런의 상태는 원숭이가 직면한 순서 정보에 따라 변합니다. 우리는 4000개 이상의 뉴런을 측정했고, 그러한 방정식이 0개 이상이었습니다. Tian Zhenghe는 학부 때 응집 물질 물리학을 공부했으며 수학적 사고가 강하다고 말했습니다.

"각 방정식 집합의 해는 각 순서와 위치의 정보에 대한 특정 뉴런의 반응 크기를 나타내므로 4000 집합의 해는 이러한 위치에 대한 모든 뉴런의 그룹 반응입니다." "이 그룹들의 반응 중 가장 두드러진 방향이나 패턴을 살펴보자"고 그는 말했다. ”

벡터의 관점에서, 주어진 순간에 이러한 뉴런의 전체 상태는 다차원 공간의 한 점인 4000입니다. 서로 다른 작업과 다른 시간에 직면하여 이러한 상태를 나타내는 점들은 이 고차원 공간에서 기하학적 구조를 형성합니다. 연구팀은 주성분 분석(PCA)과 같은 수학적 방법을 사용하여 특정 작업에 대한 정보를 반영하는 매우 중요한 특성을 가진 "하위 공간"을 식별할 수 있었습니다.

Tian Zhenghe는 수학적으로 말하자면, 부분공간은 4000개 이상의 방정식 중 특정 작업에 직면했을 때 어느 것이 더 중요한지를 나타낸다고 설명했습니다. 뇌 수준에서 아공간은 이러한 모든 뉴런의 특정 조합을 나타내며, 각 뉴런은 각각 역할을 합니다.

부분 공간은 특정 패턴을 반영하기 때문에 이러한 공간은 뇌에 저장된 정보를 "기록"하는 것으로 이해할 수 있습니다. 연구팀은 화면에서 여러 점의 위치에 대한 정보가 서로 다른 하위 공간에 저장되어 있으며, 이 정보가 원숭이가 점을 정렬할 필요가 없을 때 시간이 지남에 따라 안정적으로 유지된다는 것을 발견했습니다.

원숭이가 사과 그림을 보고 순서를 재정렬해야 할 때, 각 원래 부분 공간은 새로운 임시 부분 공간을 모집하고, 먼저 원래 내부 메모리 정보를 전달한 다음, 임시 부분 공간의 메모리 신호를 자체 정보가 비워진 후 교환할 공간으로 전달합니다.

"컵에 담긴 물을 교환하는 것과 같습니다. 보통 우리는 두 컵에 물을 교환하고 새 컵을 얻습니다. 그리고 뇌를 위해, 그것은 교환할 두 개의 새로운 컵을 꺼낼 것입니다. Tian Zhenghe가 말했다.

이 연구는 또한 특정 주문 정보를 기록하지 않지만 정방향 또는 역방향 순서 규칙과 관련된 부분 공간이 있음을 발견했습니다. 다른 규칙에서 이 하위 공간의 상태는 시간이 지남에 따라 다른 개발 궤적을 보여줍니다. 연구팀은 이 부분공간이 순차적 부분공간과 일시적 부분공간 사이의 정보 흐름을 제어하고, 교환 과정을 시작하고 제어할 수 있다고 추측했다.

Tian Zhenghe는 컵에 물을 교환하는 비유를 따른다면 이 하위 공간은 물을 나르는 웨이터와 같으며 왼쪽에 있는 손님은 컵에 담긴 물을 교환해야 하지만 오른쪽에 있는 손님은 그렇지 않다고 설명했습니다. 왼편에 앉은 손님이 인사를 하자, 그는 그쪽으로 걸어가서 두 개의 새로운 컵을 꺼냈다. 오른쪽에 있는 손님이 인사를 건네면 물 두 잔을 가져다줄 것입니다.

"물론, 물, 컵, 웨이터, 그리고 여기서 주고받는 동작들은 모두 얼굴의 다른 면처럼 뇌의 다른 상태들입니다." Tian Zhenghe가 말했다.

기술적 수단의 향상으로 과학자들은 점점 더 많은 생물학적 데이터를 얻을 수 있으며 점점 더 낮은 수준이되고 있습니다. 뇌와 같은 복잡한 생물학적 시스템을 특성화하고 분석하기 위해서는 생물학적 지식 외에도 수학, 컴퓨터 과학, 물리학, 화학 등과 같은 분야와 광범위하게 협력하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. Wang Liping은 자신의 연구팀이 모집한 박사 과정 학생 중 많은 수가 다른 전공 출신이며, 서로 다른 관점의 아이디어가 충돌하여 많은 새로운 연구 아이디어를 가져왔다고 언급했습니다.

"많은 분야에서 교사가 학생보다 더 많이 알고 있는 것은 아니며 서로에게서 배워야 합니다." 그가 말했다.

이번 연구의 제1저자인 Tian Zhenghe는 연구 그룹의 협업 분위기와 열린 토론 분위기가 획기적인 연구를 수행하는 데 매우 중요하다고 생각하며 "아이디어를 자유롭게 표현하고 실험할 수 있는 것이 매우 중요하다"고 말했습니다. ”

(지징지에 기자)