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운동기술 습득의 뇌과학적 원리 발견
생명과학 한양대학교 (2020-09-16)

김성신 한양대 심리뇌과학과 교수가 처음 접하는 운동기술을 습득하고 숙달되는 과정을 설명하는 뇌과학적 원리를 발견했다고, 한양대가 11일 밝혔다. 심리뇌과학과는 2021학년도에 신설되는 학과로, 인간의 의사결정과 인공지능(AI)의 중첩분야를 연구해 새로운 기술개발에 초점을 둔 연구와 학문을 진행한다.
 
사람은 태어나면서 죽을 때까지 다양한 운동기술을 습득한다. 즉 걷고, 젓가락으로 음식을 집고, 악기를 연주하고, 운전을 하는 일상의 모든 일이 운동기술 습득을 통해서 이뤄진다. 하지만 이러한 운동기술을 습득하고 익숙해지는 과정에서 우리 뇌에 어떤 변화가 일어나는지에 대해 상세히 밝혀지지 않았다.
 
김 교수팀은 이를 검증하고자 학습자에게 새로운 운동과제를 제시하고 기능성 핵자기공명영상장치(fMRI)를 통해 뇌의 변화를 관찰했다. 실험에서 김 교수팀은 뇌 영역 중 보상(reward)과 관련된 올챙이 모양의 미상핵(caudate nucleus)의 역할에 주목했다. 관찰 결과, 훈련이 진행됨에 따라 운동기술 습득 시 얻어지는 보상에 대한 정보가 미상핵의 머리부분에서 꼬리부분으로 이동되는 것이 발견됐다.
 
또 추가적으로 미상핵의 머리부분은 대뇌 전두엽(판단·추론 담당)과, 꼬리부분은 대뇌 운동피질(운동기능 담당)과 상호작용하고 그 강도에 따라 개개인의 운동 능력 차이를 예측할 수 있다는 것을 발견했다.
이번 연구 결과는 쾌락·보상·동기부여를 담당하는 미상핵이 새로운 운동기술 습득하고 습관화되는 수준까지 도달하는데 중요한 역할을 한다는 것을 최초로 밝혀내었다는데 그 의미를 가진다.
 
김 교수는 “이번 연구를 통해서 파킨슨 증후군으로 인해 일어나는 운동장애를 보다 깊이 이해하고 치료할 수 있는 방법에 대해서 새로운 관점과 접근법을 제시할 것으로 기대된다”며 “나아가 효율적인 인공지능 시스템 개발하는데 영감을 주는 것은 물론 향후 뇌-기계 접속시스템을 이해하고 발전시키는데도 기여할 것” 이라고 말했다.
 
이번 연구는 기초과학연구원의 차세대 기초연구리더 사업의 지원을 받아 「미국 국립과학원회보(PNAS)」 에 9월 8일 게재됐다. 해당 논문은 기초과학연구원 뇌과학이미징 연구단(경기도 수원소재) 소속인 최예라, 신윤하 연구원이 공동 제1저자로 참여하고 김성신 한양대 교수가 교신저자로 참여했다.

 

참가자가 실제로 컴퓨터 커서를 움직인 궤적

(왼쪽) 참가자가 실제로 컴퓨터 커서를 움직인 궤적. 학습이 진행됨에 따라 네 귀퉁이에 있는 목표물에 잘 도달할 수 있도록 손가락의 움직임을 통해서 커서를 움직이는 법을 배우게 된다.
 (오른쪽)  실험 참가자 30명의 7번 실험 참여기간 동안의 학습 곡선

훈련의 초기에서 후기로 진행됨이 따라 보상에 대한 정보가 머리 부분에서 꼬리부분으로 전이되는 현상을 설명하는 그림

훈련의 초기에서 후기로 진행됨이 따라 보상에 대한 정보가 머리 부분에서 꼬리부분으로 전이되는 현상을 설명하는 그림

미상핵의 머리와 꼬리부분이 각각 전두엽과 운동피질과 상호작용을 하며 그 강도가 개개인의 운동 능력의 차이를 예측할 수 있다는 것을 설명하는 그림

미상핵의 머리와 꼬리부분이 각각 전두엽과 운동피질과 상호작용을 하며 그 강도가 개개인의 운동 능력의 차이를 예측할 수 있다는 것을 설명하는 그림

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