이 연구에서는 덧셈과 뺄셈 같은 수학적 연산 중에 특별히 활성화하는 뇌의 뉴런이 확인됐다. 감지된 뉴런 중 일부는 덧셈할 때 발화되는 반면, 또 다른 뉴런은 뺄셈할 때만 발화되는 것으로 나타났다. 이러한 뉴런은 계산 지시가 부호로 표시가 됐든 말로 쓰여 있든 관계없이 발화했다.
연구팀은 본대 대학병원 뇌전증학과의 도움으로 이뤄졌다. 이 병원은 뇌전증을 앓는 사람들의 뇌를 수술하는 데 특화되어 있다. 일부 환자의 경우 발작이 항상 뇌의 동일한 영역에서 발생한다. 결함이 있는 부위를 정확하게 짚어내기 위해 의사들은 환자들에게 여러 개 전극을 이식한다. 탐침도 경련의 근원을 정확하게 밝히기 위해 사용될 수 있다. 개별 뉴런의 활동은 배선을 통해 측정될 수 있다.
연구에는 여성 5명과 남성 4명의 남성이 참여했다. 신경 세포의 활동을 기록하기 위해 이들의 측두엽에 전극을 심은 뒤 간단한 산수 과제를 수행하게 했다. 본대학병원 뇌전증학과 플로리안 모르만 교수는 “우리는 뺄셈을 할 때와 덧셈할 때 다른 뉴런이 반응한다는 것을 발견했다”고 말했다.
일부 뉴런이 ‘+’ 기호에 반응하고 다른 뉴런은 ‘-’ 기호에만 반응한다는 뜻이 아니다. ‘더하기’ ‘빼기’를 말로 표현해도 같은 결과를 보여주었다. 모르만 교수 지도아래 박사과정을 밟는 에스테를 쿠테르는 “예를 들어 참여자에게 ‘5와 3’을 더하라고 요청했을 때 더하기 뉴런이 다시 작동한 반면, ‘7에서 4’를 빼라고 했을 때 빼기 뉴런이 다시 작동했다”고 말한다. 이는 발견된 세포들이 행동에 대한 수학적 명령을 암호화한다는 것을 보여준다. 따라서 참여자의 뇌 활동은 이들이 현재 계산하는 작업의 종류를 매우 정확하게 보여주었다.
연구팀은 세포의 활동 패턴을 셀프스터디 컴퓨터 프로그램에 공급했다. 동시에 참여자들이 현재 더하기를 하고 있는지 뺄셈을 하고 있는지 소프트웨어에 입력했다. 이 훈련 단계가 끝난 뒤 컴퓨터 알고리즘은 새로운 활동 데이터를 접했을 때 알고리즘에 기록된 연산 작업을 정확하게 파악할 수 있었다.
모르만 교수와 함께 연구를 지도한 튀빙겐대 안드레아스 니더 교수는 “우리는 원숭이를 대상으로 한 실험을 통해 특정한 계산 규칙에 특정한 뉴런이 원숭이의 뇌에도 존재한다는 것을 알고 있다”면서 “하지만 인간에게는 이와 관련된 자료가 거의 없다”고 말했다.
이번 분석에서 흥미로운 현상이 발견됐다. 연구대상 뇌 영역 중 하나는 ‘파라히포캠팔 피질’이었다. 연구팀은 여기에서도 덧셈이나 뺄셈을 할 때 발화되는 신경세포를 발견했다. 그러나 더하기를 할 때는 동일한 계산 작업을 하는 동안 다른 추가 뉴런이 번갈아 활성화되었다. 비유적으로 설명하자면 이는 계산기에서 ‘플러스 키’의 위치가 계속 바뀌는 것과 같다. 이는 뺄셈도 마찬가지였다. 연구팀은 또한 이를 ‘동적 코딩’이라고 부른다.
모르만 교수는 “이번 연구는 인간의 가장 중요한 상징적 능력 중 하나인 숫자로 계산하는 것에 대한 더 나은 이해를 위한 중요한 진전”이라고 강조한다. 앞으로 연구팀은 신경세포가 정확히 어떤 역할을 하는지를 조사할 계획이다.
연구는 《커런트 바이올러지》에 실렸다. 원제는 ‘Neuronal codes for arithmetic rule processing in the human brain’.
