2007-1 인지과학입문 중간고사

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1. 상위 시각 체계(특히 복측 경로)의 목적은 무엇인가(2점)? 상위 시각 과정(V1 이후) 뇌 손상 환자(복측 경로 뇌손상 환자)들을 고려하여 상위 시각 처리 단계가 해결해야 할 과제 3가지를 설명하시오(각 3점, 총 9점). 복측 경로의 형태 재인에 배측 경로가 영향을 미칠 수 있는가? Feature Integration Theory를 사용하여 배측 경로가 복측 경로의 형태 재인에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 실험 연구 2개를 토대로 설명하고 복측과 배측 경로의 상호작용에 대한 시사점을 논의하시오(이론 설명 1점, 실험 연구 각 2점, 시사점 4점, 총 9점)

1: 상위시각체계의 목적은, 보다 구체적인 시각 대상을 식별하기 위한 과정으로서 시각 자극을 해석하는 데 있다. 상위시각체계는 크게 두 경로로 나누어볼 수 있는데, 복측 경로는 형태, 색채와 관련한 물체인식, 재인을 담당하고, 배측 경로는 대상의 위치와 관련한 공간지각, 시각으로 유도된 행동 처리를 담당한다. 뇌의 특정 위치가 손상된 환자들을 통해 이 단계에서 처리하는 과제를 얼마간 알아 볼 수 있다. 예를 들어, V4 영역이 손상되면 색채 지각에 문제가 생긴다. 이것은 망막에 추상체가 없어 일어나는 색맹과는 다른 피질 색맹이다. 물체 실인증의 경우에, 뇌 손상 환자들은 시각 대상을 가리키거나 천천히 모사할 수 있지만 그것이 무엇인지는 재인하지 못한다. 또 어떤 환자들은 얼굴실인증을 경험한다. 이 사람들은 물체를 재인할 수 있고 어떤 사람이 남자인지 여자인지는 알아볼 수 있지만, 정작 친숙한 얼굴도 누구인지 알아보지 못한다. 위 사실로 미루어 볼 때 상위시각체계는 단순한 시각 자극을 통합하고 연합하며 재인하는 기능을 하고 있는 것 같다. 그런데 우리가 이렇게 다른 두 경로들로부터 들어오는 정보를 어떻게 묶어 하나로 볼 수 있을까? (개 형태의 어떤 것, 움직이는 개로 나누어 보지 않는다) 세부특징이론은 이 세부 경로들의 통합과정이 있어서 물체를 인식한다는 이론이다. 이론에 따르면 인간의 처리능력에는 한계가 있기 때문에 주의를 기울인 경우에만 통합이 이루어진다. 착각결합실험에서 좌우에 제시된 숫자를 지각하게 하고 가운데 제시된 낱자들을 색깔과 함께 보고하도록 하면 전혀 엉뚱한 색깔과 결합된 낱자를 보았다고 보고한다. 두정엽 손상 R.M. 환자를 대상으로 한 시각탐색실험에서, 빨간X가 목표자극일 때 모양만 다른 경우(빨강O)나 색깔만 다른 경우(파란X)일 경우에는 과제수행에 어려움이 없었지만 그 둘이 섞여있는 곳에서 찾는 과제는 제대로 할 수 없었다. 이것은 다양한 세부특징을 지닌 물체를 인식하는 데 있어서 배측–두정엽 경로가 복측 경로와 상호작용을 한다는 것을 의미한다. 베일런트 증후군 환자에서도 볼 수 있듯 배측 경로에 이상이 생겨 공간지각능력을 잃으면 주의의 폭이 매우 좁아져서 한 번에 한 가지 특징만 인식하게 되고, 특징들간의 결합이 어려워져 복측 경로가 온전하더라도 우리는 물체를 제대로 인식할 수 없는 것이다.

 

2. 정모 교수는 수업시간이 월, 금에 배치됨에 따라 학생들이 지난 시간 수업 내용을 잘 기억하지 못하는 것을 관찰하였다. 정모 교수는 왜 기억 정도가 떨어지는 것인지 의아해 하였다. 여러분이 정모 교수라면 어떻게 기억 정도가 떨어지는 원인을 찾아낼 것인지, 간단 인지과학 연구 방법 4단계를 이용하여 연구 계획서를 작성하시오(각 단계 3.5점씩, 총 14점). 예상되는 연구 결과를 토대로 학생들의 기억 정도가 떨어지는 현상을 방지할 수 있는 대안 2개를 제시하시오(각 3점, 총 6점).

2. <고민,가설> 수업시간이 월, 금에 배치되어 수업 간 시간 간격이 길어 많이 망각될까. 그러면 월–금은 4일, 금–월은 3일 차이인데 지난내용을 기억하는 데 차이가 있을까. 월은 2시간, 금은 1시간으로 학습시간차이가 있다. 주말에 노는 것이 문제일까, 주간에 다른 강의들로 방해받는 것이 문제일까. “수업간 간격, 주말–평일의 차이가 기억 정도와 관련이 있을 것이다!” <조작적 정의> 기억정도는 실험참가자인 학부생에게 낯선 대학원 수업을 PPT발표로 하고 내용에 기반한 질문을 하여 재인률로 측정한다. 사전검사를 통해 단순 내용재인 문제로 정답률 100%의 쉬운 난이도의 문제 세트를 준비한다. <실험설계> 참가자를 무선적으로 ⓐ월–화(1일간), ⓑ월–목(3일간), ⓒ금–월(3일간) 의 세 집단으로 나누고 각각 선행요일에 같은 시간 동안 강의를 하고 후행요일에 기억의 정도를 측정한다. 같은 강의실, 같은 시간대를 이용하고 강의 중 필기를 금지한다. 사전에 이틀간 그저 편안하게 잠깐동안 강의를 들으면 된다고 설명해주고, 후행요일의 강의 시작 전에 지난 강의에 대한 깜짝 재인시험을 본다. 매 강의가 끝난뒤 간단한 강의평가, 원래 좀 알던 내용인지, 흥미가 있는지, 쉬웠는지, 지난 강의가 끝나고 관련 내용을 공부했는지 등을 조사하여, 문제가 되는 데이터를 분석 이전에 제거한다. 기간의 효과는 ⓐ조건과 ⓑ조건의 기억정도를 비교함으로써, 주말–평일의 효과는 ⓑ조건과 ⓒ조건을 비교하여 알아볼 수 있다. <기제유추논의> 결과가 기간이 길수록 기억정도가 감소하는 것은 망각이론 중 시간의 흐름에 따라 기억흔적이 쇠퇴한다는 ‘소멸’을 지지한다. 또 평일조건에서 오히려 주말조건보다 기억감소가 심했다면(주말에 공부를 안 했다고 진술한 경우) 예전에 기억한 것에 새로운 기억이 쌓여 서로 경합을 벌여 망각이 일어난다는 간섭이론을 지지한다. <향상방안> 에빙하우스의 망각곡선을 보면 학습후 10분 후부터 망각이 시작되고 1시간 뒤에는 50%정도가 망각된다. 수업 끝부분에 그날 수업내용을 복습해주면 기억 향상에 도움이 될 것이다. 또한 간섭을 줄이고 초두효과나 최신효과를 통한 기억의 이득을 위해서  강의시간이 다른 강의들 사이에 애매하게 끼어있기 보다는 아예 1교시나, 9교시에 강의 시간을 잡는 것이 나을 수 있다. (스트레스와 피로가 악영향을 줄 수도 있다.)

 

3. 일상 생활에서의 시각 경험은 선명하고, 손쉽게 성취된다. 그러나 시각 연구는 이런 경험과 비교해서는 어렵다고 한다. 왜 시각 연구가 어려운지를 형태 재인(물체 인식) 관점에서 3가지 예를 들어 설명하시오(각 3점, 총 9점). 시각 체계가 이러한 문제점들을 초기 정보 처리 과정(V1까지)에서 어떻게 해결하고 있는지, 해결 방안 2가지를 예를 들어 설명하시오 (각 3점, 총 6점). 마지막으로 V1은 의식과 관련이 있는지를 실험 연구 결과를 토대로 논의하시오(5점).

3. 시각연구가 어려운 이유는, 수용기에 들어온 자극이 애매하기 때문이다. 무수히 많은 물체가 망막 상에는 하나의 상으로 맺힐 수 있다. 예를들어 2차원의 이미지를 이용하여 3차원의 형태를 재구성해내기 위해서는 형태, 방향 등의 애매함을 극복해야한다. 또, 물체들은 각기 다른 각도에서 모두 다르게 보이는데, 관점에 상관없이 한 물체를 똑같은 한 물체로 인식하기가 쉽지 않다. 예를들어 우리는 어떤 사람의 옆모습이든 앞모습이든 동일한 사람이라는 것을 알지만 컴퓨터는 그보다는 서로 다른 두 장의 앞모습 사진을 동일하다고 판단하기 쉽다. 한편 물체 내부와 주변의 빛이나 색깔이 변화할 때 그것이 서로 다른 물체의 표면인 것인지 아니면 동일한 물체의 표면인 것인지 애매하다. 방에 햇빛이 들어와 벽면에 그림자 때문에 확연히 다른 명암을 지닌 둘로 쪼개져도 우리는 그것을 한 벽면으로 인식할 수 있다. 초기시각과정에서는 수용장과 측면억제를 통해 밝기 변화를 탐지하여 윤곽선을 추출하여 물체를 인식하는 데 도움이 된다. 또한 실제로 가까운 곳에 있는 이미지가 망막, LGN, V1에서도 가까이에 표상되며, V1의 뉴런들은 한 컬럼 안에서 다양한 세부특징들을 분산처리 함으로써 여러 특징들이 동시에 독립적이고 경제적으로 처리될 수 있도록 되어있다. 명도근거의 유사성, 연속성과 같은 Gestalt 원칙들도 실제 V1에 있는 단순세포, 복합세포, 멈춤세포 등의 반응으로 확인할 수 있다.

실험결과에 따르면 V1은 의식과 관련이 있는 것 같다. 어떤 물체가 표상되면 그 부분의 흥분경향성이 줄어드는 순응이 일어나고, 양쪽 눈에 다른 상을 비추면 두 상이 번갈아 보이게 되는 양안 경쟁이 일어난다. 순응과 양안경쟁을 이용해서 V1의 특정 방위에 반응하는 세포의 순응 전후 역치 값의 변화를 살펴본 결과, 보이는 정도에 따라 순응의 양이 선형적으로 달라졌다. 주목할 것은 물리적인 자극 자체는 양안에 모두 들어오고 있다는 사실이다. 이것은 원숭이의 전경–배경 분리에 따른 V1 뉴런의 발화차이 연구(Lamme, 1995)와도 비슷한 결과인데, 물리적 자극이 들어왔다해서 뒷 단계의 지각 과정이 모두 자동 활성화 되는 것은 아니며 feed backward 과정, 어쩌면 의식이 관여한다는 것을 시사한다.


 

4. 현 인지과학의 중요 이론은 정보처리이론이다. 정보처리이론의 핵심은 복잡한 인지과정을 순차적 세부 단계로 나누어서 연구할 수 있다는 것이다. 얼굴 인식과정이 지각적 (시각) 분석, 윤곽선 추출, 각 윤곽선 통합, 의미 파악 등 4단계로 진행된다는 것을 반응 시간을 이용하여 어떻게 연구할 수 있는 지를 설명하시오(각 3점, 총 12점). Marr는 인지 기능/마음이 세 가지 수준(계산 목적, 표상과 연산방식, 구현)으로 설명되어야 한다고 주장하였다. 이 세 가지 수준을 위의 얼굴 인식과정 연구 예로 설명하시오(각 2점, 총 6점). 마지막으로 정보처리이론의 단점이 무엇인지 설명하시오(2점).

 

5. 뇌의 표상 방식 중 5가지를 선택하여 설명하시오. 이 5가지 중 분산 표상과 국지 표상은 꼭 포함되어야 하며, 분산 표상(특히 coarse representation)은 색 지각(color perception: 망막의 세 종류 추상체 (cone)를 이용)의 예로, 국지 표상(local representation)은 Jennifer Aniston cell의 예로 설명하시오(분산, 국지 각 3점, 나머지 표상 방식 각 2점, 총 12점). 마지막으로 설명한 5가지 표상 방식 중 4가지를 골라 그 표상 방식을 가지고 있는 특정 뇌 영역이 손상되었을 때 뇌 기능이 어떤 방식으로 손상되는지를 예를 들어(가상의 예를 들어도 좋고, 실제 예를 들어 설명하면 보너스 점수) 설명하시오(각 2점, 총 8점).

5. <구조적 원칙>: 뇌의 각 영역은 각기 다른 기능을 담당한 작은 구조 성분으로 쪼개어지고, 어떻게 인지적 기능을 수행하는지 알기 위해 각 구조기능을 이해하는 것이 필요하다는 생각. 예를들어 해마는 dentate gyrus, CA3, CA1 등 구조로 나뉘고, CA3는 자전적 기억을 인출하는 자동연합기능을 한다. 해마 손상된 H.M이 서술기억은 없지만 절차기억은 유지하는 것은 뇌의 각 세부구조가 다른 기능을 담당함을 시사한다. <기능적 연결통로>: 감각수용기에서 상위 뇌영역으로 순차적인 흐름에 따라 감각정보가 지각적 표상으로 점차 변형됨을 말한다. 시각의 체계적 단계, 복측회로, 배측회로가 좋은 예이다.  망막의 원추체가 온전해도 뒷단계의 V4가 손상되면 색 지각이 불가능하다. <지형적 표상>: 피질의 기둥들이 이웃한 뉴런이 발화하는 식으로 감각자극의 연속성과 관련되기 때문에, 감각의 초기피질영역에는 외부환경의 자극의 패턴이 그대로 비슷한 패턴으로 표상된다. 두정엽의 일차체감각피질에 표상되는 체감각의 지형도나 V1에 표상되는 시각 이미지가 그 예이다. 체감각 피질의 다리부분이 손상된 환자는 자기 다리가 보이더라도 그것을 남의 다리라고 느끼고 실제로 그렇게 행동한다. <국지표상>: 특정한 대상에만 반응하는 단일 뉴런을 가정한다. 경제적 비효율성과 여러 분산표상의 증거로 신빙성은 적지만, 간질환자를 대상으로 한 최근의 연구에서 여배우 제니퍼 애니스톤에만 반응하는 세포가 발견됐다. 중요한 것은 그녀의 시각이미지, 다양한 사진, 이름과 같은 관련 다양한 관점에서 그녀를 묘사한 자극에도 반응했다는 것이다. 만약 국지표상이 옳다면 만약 이 세포가 죽으면 우리는 그녀를 알아보지 못할 것이다.<분산표상>: 여러 뉴런의 발화 정도의 다양한 조합 패턴을 통해 대상을 표상한다는 생각이다. 색지각의 경우, 특정파장영역에 반응하는 세종류의 추상체(S, M, L)가 존재한다. 그리고 V1에는 이들 수용기로부터 입력된 색에 선별적으로 반응하는 얼룩이 존재한다. 우리가 수많은 색을 지각할 수 있는 것은, 각 색깔의 지각에 해당하는 단일 뉴런이 모두 존재해서가 아니라 이 세 수용기 흥분의 패턴, 그리고 이 패턴에 따른 V1의 색 반응세포들의 흥분–억제 패턴 때문이다. 예를들어 우리가 노랑색을 볼 때 M추상체와 L추상체 모두 흥분한다.

 

6. 주의란 왜 필요한가(2점)? 인간 주의 능력의 한계를 공간적, 시간적, 물체 수의 한계를 일상 생활의 예로(수업 시간에 설명한 실험 예가 아니라) 설명하시오(각 3점, 총 9점). 그렇다면 이러한 한계를 극복할 수 있는 방안 2가지를 제안하시오(각 3점, 총 6점; Action video game을 열심히 하는 것은 제외하고). 마지막으로 주의와 의식의 관계에 대해서 논하시오(3점).

6. 인간의 인지적 용량은 한계가 있기 때문에, 많은 정보 중에 필요한 정보만 선택적으로 처리하기 위해 주의가 필요하다. 주의를 기울이지 않은 감각 정보들은 순식간에 사라져버리므로 생존에 중요한 정보를 기억하고 처리하여 미래의 일에 대비하는 것이 필요하다. 주의의 공간적 한계는 자동차 운전을 할 때 카오디오를 살짝 응시하며 라디오 주파수를 조정하는 동시에 눈 앞의 도로의 상황을 자세하게 알기 어려운 데에서 드러난다. 시간적 한계는 체력장에서 달리기 기록을 잴 때 두 사람이 거의 동시에 들어오면 한 사람의 소수점 단위 기록을 확인하고 곧바로 다른 사람의 기록을 확인하지만 전자의 기록은 기억나지 않는 것이 예이다. 물체 수의 한계는 두더지 게임에서 처음에 한 마리씩 튀어나올 때는 쉽게 때릴 수 있지만 나중에 7~8마리가 각각 나왔다 들어갔다 할 때는 때리기 힘든 것에서 드러난다. 극복방안으로는 주의의 한계를 고려하여 환경이나 인공물을 설계하는 방법이 있다. 차 앞유리에 오디오 정보를 반투명하게 투사해주면 공간적 한계를 해결할 수 있다. 사람의 사전지식과 기대도 주의를 향상시킬 수 있다. 군인들이 평소에 적군의 옷차림이나 장비 사진을 외우는 것은 민감도를 향상시키고 경계 근무 시 불시에 순찰자가 나타나는 것은 지속적인 주의를 환기시켜 시간적 한계를 보완한다. 다른 차원의 감각을 이용하는 것도 좋다. 청각의 경우 입력이 전방향적이고 시각보다는 단기기억의 기간이 길어서 이를 활용해서 경고음이나 방송을 내보내면 주의를 기울여야 할 대상이 많은 상황에서도 중요한 정보를 놓치지 않을 수 있다. 주의는 의식과 밀접한 관련이 있는데 어떤 자극이나 생각에 주의를 쏟는 것은 우리의 의식 경험의 전제가 되기 때문이다. 감각 데이터가 뇌 속에서 처리되고 재인되는 과정은 무의적으로 자동적으로 이루어지고 정작 우리의 의식경험은 그 최종 산물 뿐이기 때문에 우리는 주의의 존재를 잘 의식하지 못한다. 그리고 무의식적으로 처리된 자극들도 우리 행동과 사고에 영향을 미친다.  외인성 주의의 자동적인 방향전환은 선택주의에 따른 의식경험을 일으킨다. 한편 내인성 주의의 경우에는 의식적인 통제로 주의의 대상이나 기간을 조정할 수도 있다.