신경 시스템과 실험 방법론

JiHun
Cognitive Science
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사람 뇌의 구조 - 신경해부학의 기본 용어

신경 : 각 기관계를 연결하여 하나의 유기체로서 신체 활동의 조절과 조정을 담당하는 신경조직

우리 몸의 신호전달을 모두 담당하고 있는 모두 담당하고 있는 구조물의 총칭

중추신경 : 우리 몸의 가장 가운데 있는 신경으로, 신경정보를 통합, 조정하는 중앙처리 장치. 뇌와 척수

신경세포 : 신경계를 이루는 구조적, 기능적인 기본 단위

말초신경 : 감각과 운동 자극을 중추신경으로 연결하는 통로

대뇌 : 뇌의 대부분을 차지하는 중추신경계의 중추로 운동, 감각, 언어, 기억 및 고등 정신 기능을 수행하는 기관

시상 : 많은 신경핵들로 이루어져 있으며 대부분의 감각 신경이 지나가는 통로 -> 뇌에서 가장 중요한 역할 담당

소뇌 : 대뇌의 뒤에 위치하며 움직임을 제어하는데 주요한 역할을 수행

연수 : 호흡 순환 운동 뇌 신경 기능을 담당하는 뇌줄기의 하부 구조

시냅스 : 두 신경세포가 연결되어 신호가 전달 되는 공간

수막 : 경밀막(가장 바깥), 거미막(중간), 연질막(가장 안쪽)으로 구성된 세 층의 막으로, 물리적으로 뇌와 척수를 보호

대뇌, 소뇌 : ‘피질’과 ‘백질’로 구성

뇌신경 : 뇌에서 나오는 말초신경

신경이 뇌에서 나가면 -> 뇌신경, 신경이 척수에서 나가면 -> 척수신경

1. 신경 시스템

뇌는 크게 두 가지 종류의 세포로 이루어져 있다.

  • Gila : 뇌를 유지하는 보조 세포, 시냅스 상호작용과 전기 시그널에는 관여하지 않으며, neurotransmittet 등을 관장합니다.
  • Neuron : 계산과 정신 작용의 기초가 되는 세포로, 전기 자극을 주고 받으며 정보 처리를 합니다. Body : 당과 산소를 혈액에서 흡수해 에너지를 공급하니다. DNA를 통해 새 세포를 찍어냅니다. Dendrite : 메세지는 수용하는 섬유질 Axon : 메세지를 전달하는 긴 섬유질 Synapse : 시그널을 주고 받는 곳이며 synaptic cleft라는 갭이 존재 전기 자극은 neurotransmitter들을 배출하고, 이들이 dendrite의 채널들을 오픈.뉴런에서 이루어지는 계산은 점진적이면서 연속적이고, 대사상 매우 비쌈. 체내 당과 산소의 20%가 뇌에서 소비. 뇌의 용량은 몸의 3%에 불과

신경 시스템은 기능에 따라 세 가지로 나뉩니다.

  • Sensory system : 시각, 청각 정보 등을 프로세스(인풋, sensor)
  • Motor system : 행동을 관장(아웃풋, effector)
  • Associative system: 인풋 정보와 아웃풋을 연결, 주로 고등한 뇌 기능

구조에 따라 두 가지로 나뉩니다.

  • Central nervous system(CNS) : 뇌와 척추
  • Peripheral nervours system(PNS) : cranial nerves와 spinal nerves ,

    • Sensory division

    • Motor division - Somatic motor division : 자발적, CNS에서 자극을 골격근으로 전달 - Autonomic(visceral) motor division: 비자발적 - Parasympathetic : 휴식할 때, 소화 기능 향상, 동공 확장, 소변 배출 - Sympathetic: 위기일 때, 맥박 향상, 세기관지 확장, 혈당

      뇌는 10^9개의 뉴련과 10^15개의 시냅스로 구성. 대사상 매우 비싸기 때문에 axon의 총길이가 짧도록 진화.
따라서 뇌는 부위별로 비슷한 기능들이 묶이게 됨

뇌의 세 가지 주요 섹션

  • Forebrain
    • Cerebral cortex: 더 최근에 진화한 부위. 6가지 층으로 이뤄져 있고 그 아래 흰 색의 axon들이 있으며 층 자체에는 회색질의 cell body들이 있다.
      • Frontal(insula 포함): 의사 결정, 논리, 감정, 인격, 메모리 생성, 행동 계획
      • Parietal: 촉각, 온도, 균형 감각
      • Occipital: 시각
      • Temporal: 청각, 언어, 정보 습득
    • Basal gangalia: 더 오래전 진화한 부위
    • Thalamus
  • Midbrain Brainstem 그 외에 Cerebellum는 brainstem 바깥에서 운동 관장

뇌를 좌우로 나누면,

  • 좌뇌: 세부 사항, 언어, 소근육, 이성지능, 수학 계산, 정보처리, 의식적 행동, 긍정적 감정, 청각 습득, 호기심, 충동, 면역 활성
  • 우뇌: 큰 그림, 비언어, 대근육, 감성지능, 해석, 수학 논리, 정보 해석, 무의식적 행동, 부정적 감정, 청각정보 해석, 추상적 컨셉, 주의 깊고 안전한 행동, 면역 비활성

신경 경제학에서 중요한 두 부위는

  • Amygdala: 공포심과 관련
  • Hippocampus: 장기 기억과 관련

시냅스 사이의 neurotransmitter들

  • Glutamate: 가장 흔한 excitatory neurotransmitter, 인지, 기억, 학습과 관련
  • Serotonin: 주의, 수면, 음식 섭취, 감성, 고통을 관장. 너무 많으면 공격 행동, 너무 적으면 우울증과 자살 충동
  • Dopamine: 보상 메커니즘과 관련. 주의, 동기, 자발 행동과 관련. 너무 많으면 정신분열, 너무 적으면 파킨슨병
  • Amino Butyric Acid (GABA): Glutamate에서 직접 합성. 가장 중요한 inhibitory neurotransmitter, CNS에 집중. 뇌가 지나치게 흥분하는 것을 막음. 너무 적으면 간질
  • Acetylcholine(Ach): 발견된 최초의 neurotransmitter. 소화 기관을 비롯한 근육 자극
  • Norepinephrine: 신경 시스템을 경계 태세로 만듬. 스트레스 하에서 행동 잘하도록 해줌. 맥박 상승, 혈압 상승 등

술과 담배

    알콜은 GABA의 효과를 극대화, 느려짐. glutamate 활동을 저하시켜 행동이 느려지고 기억 혼란, dopamine 레벨 상승시켜 흥분, 쾌감, 중독으로 이끔.
    니코틴은 acetylcholine을 모방하여 Ach 수용체에 바인딩함. 도파민 상승
    약은 transmitter와 비슷한 성분. 신경 시스템을 자극시키는 약은 agonist, 억제시키는 약은 antagonist라 함.

2. 인지과학자들이 사용하는 주요 방법들

(1) 전통적 실험실 실험법과, 반응시간(reaction time)법

    자연과학 일반과 심리학에서 사용해 오던 전통적 실험법이 인지과학에서도 사용된다.
    반응시간 측정방법, 특히 선택적 반응시간(choice reaction time) 측정방법은
    인 지심리학의 중심 방법으로서, ‘시간이 인지이다(time is cognition)’이라는 전제하에,
    인지 적 과제가 질적으로(특히 복잡성에서) 달라짐에 따라 정보처리시간(속도)이 달라진다고
    보고, 문제상황이 조금씩 달라짐에 따라 일어나는 반응시간의 차이에서 어떤 특정 정보
    처리구조 또는 작용과정이 존재하는가를, 또 그 특성이 다른 구조나 과정과 질적으로 어
    떻게 다른가를 추론하는 방법

(2) 인지신경(신경생리적) 방법 : 뇌 기능 영상 인지신경과학 기법

컴퓨터단층(CAT: Computerized Axial Tomography)

    CT스캔법은 두개골을 180 도 회전하며 X-ray 광선을 방출하는 기계를 통하여,
    뇌의 부분들에 대하여 수많은 축의 단층 회전 촬영을 하고, 이를 복잡한 수리적 분석에 의해 재구성하여 최종 영상을 얻는다.
    이를 통해 뇌 혈류나, 뇌 신진대사 활동의 양을 알 수 있고, 그에 의해 알짜이머 증세, 정신분열증, 난독증 등의 이상 증상에서의 대뇌 변화를 파악할 수 있으며, 정상인의 인지구조와 과정에 대한 추론을 도출할 수 있다.

자기공명영상(MRI: Magnetic Resonance Imaging)기법 또는 핵자기공명(NMR:Nuclear Magnetic Resonnance)

    X광선을 사용하지 않고도 뇌의 전자기장서 수소 다양한 “뇌-마음(행동)”의 연구 기법 개발
    원자 핵을 중심으로 수소원자의 밀도와 주변 섬유들과의 상호작용을 탐색하여 인지과정의 추이를 연구한다.

양전자 방출 단층 영상(PET: Positron Emission Transaxial Tomography) 기법

    이 기법은 뇌의 구조적 측면의 변화보다는 기능적 측면의 특성을 측정한다. 이 기법은
    혈관 속에 방사선에 반응하는 물질을 주입하여, 뇌의 각 부분에서의 이 화학물질의 흡수
    정도, 활용 정도를 측정하고, 그 결과로 뇌의 각 부분에서의 신진대사 양에 대한 지도
    (metabolic maps) 영상을 획득하여, 심적 활동에 대한 진단을 한다. 이 기법을 사용하여,
    주의, 감각자극에의 반응, 의사결정, 기억 인출 등과 관련된 인지과정 특성을 파악할 수 있다.

뇌파기법

한편, 이전부터 많이 활용되어온 다른 연구 기법의 하나가 뇌파 또는 뇌전위 측정 기법이다. 뇌파 측정 기법에는 뇌에서 자발적으로 일어나는 뇌전위의 변화를 측정하는 방법과 특정 사건에 따른 변화를 측정하는 방법 둘이 있다. 전자의 방법은 전통 적으로 사용해오던 방법인 일반 뇌파(腦電圖: EEG(electro- encephalogram)) 측정기법으로서 이는 수면과 의식의 수준 및 유형, 정서적 변화 등의 측정에 사용되고 있다. 이것이 발전된 BEAM(Brain Electrical Activity Mapping) 기법은 뇌파의 보다 상세한 양적 분석을 가능하게 해준다. 뇌파 측정의 다른 한 부류는 사건 관련 전위 측정 기법으로서, 동일한 자극을 반복 제시하고 이들의 평균 전위를 획득하여 측정치를 얻는 기법이다. 이 ERPs(averaged Evoked Response Potentials; Event Related Potentials)기법은 시간 경과상의 두뇌활동의 특성을 반영하여 인지과정에 대한 정보를 제공해준다. 대체로 초기의 ERP들은 자극 의 특성을, 반응지연시간이 긴 후기의 ERP들은 피험자의 심리적 특성을 반영한다고 본다. 자극 제시 후의 정보처리 과정상에서 개인의 주의, 기대 등의 인지적 정보처리의 미세한 차이가 이러한 ERP들을 사용하여 측정되어진다.

(3) 컴퓨터 모의실험(simulation)과 내성보고 분석법(protocol analysis)

    인지과학은 이론 검증을 위해 컴퓨터 모의실험 방법을 사용한다(Newell & Simon, 1972).
    이에 대한 보조 방법으로 구성주의 심리학에 의해서 사용되었으나 행동주의 심리
    학자들에 의하여 배척되었던 내성법이 내성보고(protocol) 분석법으로 재형성되어 도입되었다.
    내성보고법은 어떤 과제를 수행하는 피험자 또는 참여자의 과제 수행 과정에 대한 내성 보고를 분석하는 방법이다.
    이 방법에서는 첫째로 과제를 수행하는 사람의 정보처 리과정에 대한 언어보고를 받는 방법을 정형화하여 체계화하고,
    둘째로 피험자의 언어보 고를 연구자가 생성한 이론적 범주화 틀에 의해 객관화시켜(흔히 컴퓨터 프로그램으로 자동적, 객관적으로 범주화하여) 자료로 사용한다.

출처