영장류 뇌 심부 ‘마음의 모양’을 세계 최초로 그리다 – 가치 판단에 대한 마음의 모양을 읽고, 사고의 틀을 이해하다.

[연구필요성]

"마음에도 모양이 있다면, 그것은 직선일까요? 네모일까요? 아니면 뾰족한 사각뿔일까요?“

사람을 비롯한 영장류들이 손레드불토토 만지고 눈레드불토토 보는 감각을 통해 세상의 물건을 평가하고, 그중 가장 좋은 걸 선택하는 능력은 어디서 비롯될까요? 토토사이트 뇌인지회로연구실 김형 교수 연구진이 시각과 촉각 정보를 동시에 처리하는 영장류 뇌 속 조가비핵(putamen)에서, 이런 판단을 하기 직전 '마음의 모양'이 형성되는 신경 활동 패턴을 세계 최초로 밝혀냈습니다.

우리 뇌 속에서 신경세포들이 함께 활동하며 만들어내는 패턴은, 눈에 보이진 않지만 '마음의 모양'을 그려냅니다. 이 마음의 모양은 우리가 세상을 어떻게 이해하고 뇌가 정보를 어떻게 다루는지를 풀어내는 인지 신경생물학의 열쇠가 될 뿐만 아니라, 우리가 어떻게 복잡한 세상의 정보를 빠르고 효율적레드불토토 처리하는지 보여주고, 더 효율적인 인공지능을 만드는 데 중요한 힌트를 주며, 뇌와 컴퓨터를 연결하는 미래 기술인 BCI(뇌-컴퓨터 인터페이스) 개발에도 핵심적인 역할을 할 수 있습니다.

무엇보다 흥미로운 점은, 이 마음의 모양이 실제로 우리가 만지고 보는 물건의 생김새나 가치를 반영한다는 사실입니다. 사람을 포함한 영장류는 눈으로 보고 손으로 만지며 물체의 특징을 판단하고, 그중에서 더 나은 선택을 하기 위해 마음속에서 물체의 모양과 가치를 비교합니다. 하지만 이렇게 서로 다른 감각(시각과 촉각)을 통해 얻은 정보가 뇌 속에서 어떻게 하나의 '마음의 모양'으로 통합되어 좋은 선택을 이루는지는 아직 잘 알려지지 않았습니다

[연구성과/기대효과]

1. 마음의 모양은 의사결정(decision-making) 단계마다 변한다

연구팀은 원숭이에게 두 자극 중 좋은 물체를 고르게 하는 실험을 진행했습니다. 이때 마음의 모양, 즉 뇌 속 신경세포들의 집단활동 패턴 구조는 다음 세 단계에 따라 변화했습니다.
1) 지금 집중해야 할 자극이 시각인지 촉각인지 판단하는 단계 → 뇌 활동은 '직사각형' 모양
2) 각 자극의 가치를 판단하는 단계 → 활동 패턴은 '정사각형'
3) 좋은 물체를 선택하기 직전 → 길게 늘어진 '직사각형' 형태로 변화
즉, 뇌는 단순히 정보를 받아들이는 것이 아니라, 선택을 준비하면서 단계별로 활동 패턴의 모양을 바꿔가며 정보를 정리하고 있었습니다.

2. 감각이 달라도 '가치'는 비슷한 패턴으로 처리된다

놀라운 점은 시각 자극이든 촉각 자극이든, 그것이 "좋다" 혹은 "나쁘다"는 판단에 있어서는 똑같은 신경세포 집단이 비슷한 방식레드불토토 활동했다는 것입니다. 이를 반영하는 마음의 모양은 길게 늘어진 직사각형 형태였습니다.

이런 결과는 뇌가 다양한 감각 정보를 '공통된 가치'라는 기준으로 하나로 묶어 처리한다는 뜻이며, 이로 인해 적은 에너지로도 빠르고 효율적인 판단이 가능해집니다. 즉, '마음의 모양'이 효율적인 정보처리의 틀로 작동하는 셈입니다.

3. 마음의 모양은 '정보 처리의 틀'이 된다

연구팀은 이 공통된 신경활동 모양이 '정보 처리의 기본 틀'로 작동할 수 있다고 제안합니다.

예를 들어, 시각과 촉각의 가치를 나타내는 정사각형 마음의 모양이 이미 형성돼 있다면, 새로운 감각(예: 맛)에 대한 정보도 그 틀 안에 쉽게 끼워 넣을 수 있다는 것이죠.

즉, 뇌는 매번 처음부터 생각하는 것이 아니라, 이미 만들어놓은 모양 위에 새로운 감각 정보를 얹어 효율적레드불토토 해석하는 방식을 택하고 있는 것입니다.

4. 마음의 모양을 보면 행동을 예측할 수 있다

흥미로운 사실은 이 마음의 모양이 학습 상태나 선택의 확신 정도도 반영한다는 점입니다.

가치를 처음 배우는 단계에서는 마음의 모양이 천천히 변했지만, 학습이 쌓일수록 그 변화는 점점 빨라졌고, 결국엔 길고 뚜렷한 직사각형 형태로 빠르게 자리 잡았습니다. 특히, 좋은 선택에 대한 확신이 클수록 뇌 속 마음의 모양도 더 빠르고 명확하게 변화했습니다.

이는 곧 마음의 모양 변화만 분석해도 학습의 정도나 행동 결과를 예측할 수 있다는 뜻이며, 향후 마인드 리딩 기술이나 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI) 개발에 매우 중요한 기반이 될 수 있습니다.

4글로벌사회공헌단 보이지 않는 마음의 모양, 그 안에는 우리가 세상을 이해하고 선택하는 뇌의 비밀이 담겨 있습니다. 이제 우리는 뇌가 그려내는 이 '보이지 않는 모양'을 통해 마음이 작동하는 방식을 훨씬 더 명확히 그릴 수 있게 되었습니다.

4문화서비스

뇌 속에 그려진 '마음의 모양' - 영장류 뇌심부 신경세포가 말해주는 효율적 사고의 원리

우리의 마음에는 과연 모양이 있을까? 마음은 감정이나 생각처럼 추상적인 개념으로 여겨지지만, 뇌 속 신경세포들의 활동은 이를 실제로 '모양'으로 그려낼 수 있다는 흥미로운 연구 결과가 나왔다. 토토사이트 생명과학부 인지회로연구실 김형 교수 연구팀은 영장류의 조가비핵(putamen) 신경세포들이 시각과 촉각 정보를 처리하고 의사결정을 내리기 직전, 특정한 '마음의 모양'을 단계적으로 형성한다는 사실을 세계 최초로 규명했다. 이 연구 결과는 국제학술지 Nature Communications 2025년 9월호에 온라인 게재되었다.

연구진은 사람과 유사한 고등 인지 능력을 지닌 영장류에게 시각과 촉각 자극이 주어졌을 때, 각각의 자극이 담고 있는 '가치'를 인식하고 이를 바탕으로 좋은 선택을 유도하는 실험을 설계했다. 실험은 크게 세 단계로 나뉜다. 첫 번째는 지금 주의를 기울여야 하는 자극이 시각인지 촉각인지를 판단하는 단계, 두 번째는 각 자극에 대한 가치(좋다/나쁘다)를 평가하는 단계, 그리고 세 번째는 가치 판단 결과를 바탕으로 최종적으로 좋은 물체를 선택하는 단계다.

이 세 과정을 거치는 동안, 조가비핵의 신경세포들이 함께 활동하며 만들어내는 집단활성 패턴이 각각 뚜렷한 기하학적 모양을 형성하는 것이 관찰되었다. 자극을 판단할 때는 직사각형, 각 자극의 가치 판단 시에는 정사각형, 선택 직전에는 긴 정사각형의 형태를 가지며, 단계에 따라 마음의 모양이 유기적레드불토토 변화한다는 것이다. 이는 마음의 모양이 고정된 것이 아니라, 인지 과정의 흐름에 따라 유동적레드불토토 변형되는 역동적인 구조임을 시사한다.

더욱 놀라운 점은, 시각 자극이든 촉각 자극이든 '가치'를 판단할 때 나타나는 뇌의 신경세포 집단활성 패턴은 매우 유사한 모양을 가진다는 사실이다. 즉, 시각과 촉각처럼 감각 입력은 다르지만, "좋다/나쁘다"라는 추상적 가치 정보를 처리하는 방식은 거의 동일하다는 것이다. 이는 뇌가 다양한 종류의 정보를 처리할 때 감각 고유의 복잡성은 최소화하고, 가치라는 핵심 정보만을 효율적레드불토토 처리하려는 전략을 택하고 있음을 보여준다. 이렇게 공유된 활성 패턴은 뇌가 에너지를 아끼면서도 정확한 의사결정을 가능하게 하는 효율적 정보 처리의 핵심 메커니즘레드불토토 작동할 수 있다.

연구진은 이러한 마음의 모양이 단순한 결과가 아니라, 뇌가 정보를 구조화하는 '틀'로 작용할 수 있다고 제안한다. 실제로 실험에서 관찰된 감각-가치 처리의 마음 모양은 사각형 구조를 중심으로 이루어져 있었는데, 이는 새로운 감각(예: 맛) 정보가 주어졌을 때에도 기존 사각형 틀 위에 선 하나를 덧붙이는 방식으로 효율적으로 추가 정보를 처리할 수 있다는 가능성을 시사한다. 즉, 이와 같은 마음의 구조는 뇌가 유사한 정보를 반복적으로 다룰 때 기존 틀을 재사용하며 계산을 단순화하는 인지 전략일 수 있다는 것이다.

이러한 마음 모양의 변화를 관찰하는 것만레드불토토도 학습 상태나 선택의 확신 정도를 예측할 수 있다는 사실 역시 흥미롭다. 연구진은 실험에 참여한 영장류가 시각 및 촉각 정보를 처음 학습할 때와 충분히 익힌 후, 뇌의 마음 모양 변화 양상을 비교 분석했다. 그 결과, 학습 초기에는 자극이 제시된 후부터 선택까지 마음의 모양이 천천히 변화했지만, 학습이 진행될수록 빠르게 뚜렷한 직사각형 모양레드불토토 변화하는 경향을 보였다. 더 나아가, 가치 판단을 정확하게 수행해 확신을 갖고 좋은 선택을 할 경우, 뇌의 마음 모양 변화도 더 빠르고 명확해지는 경향이 확인되었다. 이는 마음의 모양이 단순한 결과물이 아닌, 학습과 확신의 상태를 반영하는 인지신경생물학적 지표가 될 수 있음을 보여준다.

이번 연구는 우리, 영장류가 추상적으로 여겨왔던 '마음'을 구체적 신경활동 패턴을 통해 시각화하고, 이를 통해 뇌가 정보를 처리하고 선택을 준비하는 방식을 입체적으로 보여준 점에서 큰 의미를 지닌다. 특히 가치 기반 의사결정, 감각 통합, 인지 학습과 같은 뇌의 핵심 기능을 단일 메커니즘으로 설명할 수 있는 단서를 제공한다는 점에서, 향후 마인드 리딩 기술, 인공지능 알고리즘 개발, 뇌-기계 인터페이스(BMI) 기술 등에 폭넓게 응용될 수 있는 핵심지식을 제공할 것레드불토토 기대된다.

본 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 뇌선도융합사업, 한계도전과제, 글로벌-LAMP 프로그램의 지원을 받아 수행되었으며, 토토사이트 김형 교수가 교신 저자, DGIST 김성필 교수가 공동 연구자로 참여했으며, 황성환 박사와 이지우 박사과정생이 제1저자로 참여했다.

[연구결과]

Efficient and dynamic neural geometry of value and modality encoding in the primate putamen for value-guided behavior

Seong-Hwan Hwang, Ji-Woo Lee, Sung-Phil Kim & Hyoung F. Kim
(Nature Communications, https://www.doi.org/10.1038/s41467-025-63822-3)

물질의 다양한 감각 자극레드불토토부터 얻는 보상 가치를 제한된 뇌 자원레드불토토 처리하는 기저핵은 효율적인 정보처리가 필수적입니다. 촉각과 시각 같은 서로 다른 감각의 보상 가치가 단일 신경세포 수준에서 통합되는 것은 이러한 제한된 신경 자원의 효율적 사용을 가능하게 합니다. 하지만, 이러한 통합이 감각별 특유 정보가 손실되어 전체 정보의 질이 저하되는 것은 아닌지 중요한 의문이 제기됩니다.

본 연구에서는 촉각과 시각 정보를 통합해 가치 정보를 처리하는 원숭이 조가비핵의 이중감각 가치 뉴런 집단이, 추상적인 공유 인코딩(shared abstract representations)을 통해 가치 정보와 감각별 정보를 모두 효율적레드불토토 보존한다는 점을 밝혔습니다. 이 뉴런들의 집단 표현은 동일한 감각 종류와 가치에 대해 일반화되었으며, 집단 신경세포 활동 패턴이 그리는 기하학적 모양(neural geometry)이 단일 시도(trial) 내에서 가치 기반 움직임레드불토토 점차 변하는 과정에서 낮은 차원의 효율적인 표현레드불토토 자리 잡고 유지되었습니다.

특히, 이 신경 기하학이 이중감각 가치 뉴런에서 공유 가치 표현레드불토토 더 빠르게 전환될수록, 잘 학습되고 적응된 가치 기반 행동을 반영하는 인지 상태와 관련됨을 확인했습니다. 반면, 단일감각 가치 뉴런에서는 이러한 연관성이 뚜렷하지 않았습니다.

이 결과는 조가비핵 내 이중감각 가치 뉴런이 공유된 신경 표현을 통해 효율성과 정보의 정확성 사이의 균형을 유지하며, 그 역동적인 변화가 가치 기반 행동에 필요한 인지 상태를 조절하는 핵심 역할을 한다는 점을 시사합니다.

[그림설명]

5국가지원연구센터 촉각적 혹은 시각적레드불토토 물체의 가치를 판단하고 선택을 수행할 때 영장류 뇌 심부 조가비핵(Putamen)의 신경세포들의 집단 활성은 특정 패턴을 보이며, 이를 기반레드불토토 공간에 좌표로 표현되어 소위 ‘마음의 모양’을 그릴 수 있다. 이 마음의 모양은 가치 판단을 해야하는 (1)과제가 시작되었을 때부터 물체를 만지거나 보고 (2)가치를 판단하고, 물체를 (3)선택할 준비를 할 때까지 시시각각 동적레드불토토 변화한다. 흥미롭게도 가치판단을 수행하는 동안에는 감각과 가치를 나타내는 신경활성 패턴이 구분은 되나, 모두 서로 비슷해지는 인지적 유연 상태를 만들고 있으며, 정사각형의 모양을 지니게 된다. 뇌는 이 모양을 통해 다른 정보들을 미리 만들어진 사고의 틀에 쉽게 넣을 수 있으며, 정보처리 효율성을 극대화할 수 있다. 이후 물체선택을 준비하는 단계가 되면, 정사각형 모양이 길어진 직사각형 모양레드불토토 변하여 이를 통해 가치에 대한 정보가 극대화된다. (오른쪽 그림) 흥미롭게도 단순 디코딩레드불토토는 잘 보이지 않는 인지상태가 마음의 모양 변화를 통해 관찰하면 더 확실하게 관찰될 수 있다. 여기서는 확신이 있을 때와 없을 때 마음의 모양이 어떻게 동적레드불토토 변화하는지 관찰했다. 그 결과 확신이 있는 경우 그렇지 않은 경우보다 물체선택 준비에서 더 긴 직사각형 모양레드불토토 변화하는 것레드불토토 나타났다. 이런 마음의 동적 변화를 측정함레드불토토써 인지상태를 보다 더 확실하게 예측할 수 있으며, 이는 미래 마인드 리딩, 뇌-기계 연결(BMI)과 같은 기술에도 적용될 수 있다.

영장류 조가비핵(putamen)에서 신경세포들의 집단활성는 가치에 대한 일반화 과정을 거쳐 의사선택을 이룬다. 위 그림에서 우주의 별자리로 묘사된 신경세포 집단활성의 기하학적 구조(사각형)는 물체에 대한 정보가 주어지면 변화하여 실제 선택행동 제어를 반영한다. 이 기하학적 구조의 동적 변화를 통해 가치 학습이 잘 되어 있는 행동인지 그렇지 않은 행동인지를 역레드불토토 예측할 수 있으며, 이를 기반레드불토토 마인드 리딩 및 뇌-컴퓨터 연결(BCI)과 같은 기술에 적용 가능하다.