Unconscious determinants of free decision in the human brain

Chun Siong Soon et al.

Unconscious determinants of free decision in the human brain

 

주관적 '자유' 결정이 예상보다 빠른 뇌 활성에 의해서 결정되어지는 지에 대한 긴 논란이 있어 왔다. 우리는 결정의 결과가 자각되기 이전 10초 까지 전전두엽과 두정엽의 뇌 활성에 인코딩될 수 있다는 결과를 얻었다. 이런 지연은 자각하기 오래 전에 곧 일어날 결정을 준비하기 시작하는 높은 수준에서 조절하는 네트워크의 작용을 반영한다. 

 

 

우리가 동작의 다양한 과정들 사이에 자율적으로 선택할 수 있다는 생각은 우리 정신 세계에서 근본적이다. 그러나 자유의지의 주관적 경험은 환영에 지나지 않고 우리의 동작은 우리가 동작의도를 자각하기 훨씬 이전에 무의식적인 정신 처리 과정으로 시작한다고 여겨져 왔다. 이전 실험에서 대상자가 그렇게 하는 충동을 느꼈을 때 가능하면 빨리 버튼을 눌러라고 요청받는 동안 뇌의 전기적 활성이 기록되었다. 버튼을 누르는 의식적 결정은 불과 몇 백 밀리세컨드 이전의 뇌 음전위에 의해서 선행되었다. 그것은 운동 준비를 포함하는 뇌영역인 보조운동영역(SMA)으로 부터 기인하는 소위 '준비 전위'이다. SMA에서 뇌 활성이 의식적 결정에 선행되었기 때문에 뇌가 그것을 자각되기 이전에 움직임을 거의 무의식적으로 의사결정한다는 것이 논의 되어왔다.

 

그러나 이러한 흥미있는 실험들은 많은 논란의 여지를 만드는 질문을 남겼다. 먼저, 준비전위가 SMA에서 발생되었다. 따라서 운동 계획 후기에 대한 정보만 제공한다. 그러므로 의식적 행위 계획 연구에서 보여준 것처럼

SMA가 정말 움직임의 기원에 대한 결정을 하는 피질 부위인지, 아니면 높은 수준의 계획 전략이 무의식적으로 결정을 준비하는 것에 포함되어 질 것인지는 명확하지 않다. 두 번째, 준비 전위와 의사 결정의 개시 사이의 시간적 지연은 불과 몇 백 밀리세컨드이다. 그런 짧은 시간에 대한 행동적 측정에서 잠재적(potential) 오류는 뇌 활성과 의도의 상대적 타이밍을 판단오류 하는 것을 이끌 수 있다는 반복적인 논의가 있어 왔다. 세번째, 예상보다 이른시기에 어떤 선도적인 뇌활성이 선택의 특정한 결과를 정말로 선택적으로 예측할 것인가? 어떤 선도적인 활성이 비특이적 준비 활동만을 반영한다는 생각을 배제시키기 위해서 한가지 선택사항 이상의 자유로운 결정을 연구하는 것이 필요하다.

 

 

 

여기서 우리는 뇌의 사전 결정 의도를 알아차리는 영역과 운동 결정을 형성하기 시작하는 시간을 직접적으로 실험했다. 사전 동의를 한 대상자는 뇌 활성을 기능적 MRI를 이용하여 측정하는 동안 자유롭게 보조를 맞춘 운동-결정 과제를 수행했다(그림 1.). 대상자는 알파벳이 흘러나오는 스크린 중심에 이완된 자세로 시선을 고정하라고 요청받았다. 두 개 버튼 중 하나를 자유롭게 결정하는 것에 있어서 대상자가 그렇게 하고 싶다는 충동이 느껴지는 적절한 시점에 왼쪽과 오른쪽 시지를 이용해서 즉각적으로 버튼을 눌렀다. 이와 동시에 그들은 자신의 운동 결정이 의식적으로 만들어질 때 나타난 알파벳을 기억해야 했다. 대상자는 자신이 자유의지로 선택한 반응 버튼을 누른 후에 네가지 선택을 할 수 있는 '반응 표'가 스크린에 나타났다. 자신들이 운동결정을 했을 때 나타난 알파벳을 두 번째 버튼 누르기로 해당 글자를 선택해서 눌렀다. 어느정도 지연이 있은 후 글자가 다시 나오기 시작하고 새로운 시행이 시작되었다. 자유롭게 보조를 맞춘 버튼 누르기는 이전 시행과 혼동되지 않는 'cortical decision 피질 결정'의 어떤 전위의 증가를 추정하기 위한 충분한 시간을 남겨 놓았기 때문에 시행 개시 이후 평균 21.6초가 걸렸다. 왼쪽과 오른쪽 양쪽 반응 버튼은 종종 균형있게 눌러졌고 대부분 의도는(88.6%) 움직임 이전 1000ms에서 의식적 형성이 되었다고 보고했다.

 

우리는 각 뇌영역이 자각에 도달하기 이전과 이후 다양한 시간 지점에서 운동 결정의 특정한 결과에 대한 얼마나 많은 예측된 정보를 포함하는 가를 직접적으로 측정했다. 각 시점에서 우리는 통계적 패턴 재인 기법을 이용하여 다양한 뇌 영역에서 fMRI 신호의 국소 패턴에서 얼마나 많은 정보가 디코딩되는지 측정했다. 이들 패턴-기반 번역기decoder는 각 선택과 관련된 특징적인 국소 뇌 패턴을 재인하는 것으로 대상자의 운동 결정의 특정한 결과를 예측하는 연습을 했다. 이러한 감수성이 높은 접근법은 이전 연구들에서 여러가지 이점을 가졌다. 첫 번째, 그것은 SMA에서 측정된 몇 백 밀리세컨드를 훨씬 넘어서는 의식적인 의도 보다 선행된 인간 의도의 어떤 잠재적 장기 결정을 실험할 수 있게한다. 두 번째, 그것은 각 뇌영역을 개별적 실험이 가능하게 하고 각 영역에 운동결정의 결과에 대해서 얼마나 많은 정보를 가지는지 결정하게 한다. 마지막으로 우리의 접근법은 잠재적으로 비특이적 준비 과정을 반영하는 것 보다 어떤 선도적인 뇌 활성이 대상자의 선택의 결과를 정말로 선택적으로 예측되는지를 식별할 수 있게 한다.

 

 

 

 

우리 방식의 타당성을 입증하기 위하여 우리는 먼저 이런 결정이 대상자가 운동 반응을 실행 하는 중 그리고 그것이 일어났던 이후로부터 디코딩될 수 있는 곳이 어느 뇌 영역인지를 실험했다. 예상대로, 두 개의 뇌 영역이 실행기간 동안 대상자의 운동결정의 결과를 인코딩했다(그림 2.). 다음 우리는 어떤 뇌 영역이 예상보다 이른 시간에 대상자의 운동 결정을 인코딩하는지 본 연구의 주요 문제를 다루었다. 우리는 대상자가 의식적 결정에 선행하는 왼쪽 또는 오른쪽 반응을 선택하는 것에 대한 것인지 아닌지를 높은 정확도를 가지고 인코딩한 두 개의 뇌 영역을 찾았다. 첫 번째 영역은 BA10인 전두극 피질에서이다. 이 영역으로 부터 fMRI신호에서 예측된 정보는 대상자의 운동 결정 이전인 거의 7초에서 나타난다. BOLD 반응의 완만함을 고려해 보면 예측된 신경 정보가 10초 까지 의식적 운동 결정에 선행되어질 것이다. 두 번째 예측된 영역은 쐐기 앞소엽(precuneus)에서 뒤쪽 대상 피질까지 연장되는 두정엽 피질에 위치한다. 준비 기간동안 전두극과 쐐기 앞소엽/뒤쪽 대상에서 어떤 전체적 신호 증가도 보이지 않는다. 더욱이 예측된 정보는 fMRI 반응의 국소 공간 패턴에 인코딩되었고 그것은 아마도 그것이 이전에 알려지지 않았던 이유일 것이다. 통계적 역치가 완화되었을 때 전두피질의 몇가지 다른 영역은 더 잘 알려지지 않았지만 예측된 정보를 보였다. 우리는 또한 시행들 간에 어떠한 정보의 결과물도 없었기 때문에 운동결정 이전 10초 까지 높은 디코딩 수행은 이전 시행과 관련된 디코딩을 할 수 없다고 확신했다. 우리는 또한 디코딩이 움직임에 의한 잡음에서 오는 것이 아니라고 확신했다.

 

마지막으로 우리는 또한 결정의 타이밍이 예상보다 빠른 시간에 예측되어 질 수 있는 범위를 측정했다. 우리는 pre-SMA와 SMA에서 시간 결정의 디코딩이 운동 결정 이전 5초 정도의 빠른시간에 가능한 반면에 전두극과 두정 피질에서 이것은 운동 결정 이전에서만 가능하다는 결과를 얻었다. 따라서 운동 결정의 특정한 결과를 만드는 뇌 영역과 운동 결정의 타이밍을 결정하는 뇌영역 사이의 매우 빠른 시기에서 양측으로 분리되어 나타난다. 의식적 결정 이전 바로 후기 시기에서 이들 양쪽 영역들은 타이밍과 어느 손잡이 인가하는 정보를 인코딩하기 시작한다.

 

마지막으로 선택하는 의도에서 전두극 피질과 쐐기 앞소엽의 관련성을 더 많이 실험하기 위하여 우리는 대상자가 외부적으로 결정된 시점에서 왼쪽과 오른쪽 반응간에 결정을 해야하는 수의적 결정을 실험했다. 이런 경우, 결정이 선택된 시간은 실험적 통제 아래에 있다. 이것은 앞쪽 쐐기엽에서 예측된 정보를 지연기간 동안 선택한 후 시작되었던 반면에 아마도 반응의 선택동안 전두극 피질이 예측했다고 드러났다. 이것은 외측 전두극 피질이 가장 이른 시점에서 거의 피크를 이른 것으로 나타난 주요 실험의 경향과 일치한다. 이런 결과의 한 가지 해석은 앞쪽 쐐기엽은 자각될 때 까지 결정의 저장을 포함했던 반면에 전두극 피질은 실제 결정이 만들어졌던 첫번째 피질 단계cortical stage라는 것이다. 특히 의도는 유사한 네트워크가 의식적인 결정의 준비와 무의식적인 결정의 준비가 포함되어 질 수도 있다고 제시하는 이런 통제 실험에서 의식적으로 선택되었다.

 

결론적으로, 인간뇌의 전두엽과 두정엽에서 특정한 두 영역은 대상자가 아직 의식적으로 만들지 않았던 운동 결정의 결과를 예측하는 많은 정보를 가지고 있다. 이것은 대상자의 결정이 자각에 도달할 때 10초 정도까지 무의식적 뇌 활성에 의해서 영향을 받아왔다는 것을 제시한다. 그리고 그것은 또한 위험한 결정 이전에 발생하는 피부 전도의 무의식적인 변화에 대한 잠재적인 피질 기원을 제공한다. 우리의 결과는 가장 빠른 예측된 정보가 전두극과 두정 피질의 특정한 영역에 인코딩되었고 SMA에서는 그렇지 않았다고 나타난 것으로 이전 연구 결과들 보다 더 진척된 것이다. 높은 수준의 통제 영역에서 이런 준비시기는 운동 관련 뇌 영역에 대한 이전 결과들 보다 상당히 길고 근래 연구에서 SMA에 의해서 나타난 예측된 시간보다 훨씬 길다. 또한 대부분의 이전 연구들과는 대조적으로 준비시기는 이런 사전 활성이 반응의 비특이적인 준비가 아니라고 드러났다. 그 대신에,  그것은 대상자가 어떻게 결정을 내릴 것인가를 인코딩 한다. 따라서 SMA는 아마도 이전에 제시되어 왔던 것처럼 의식적 의도가 시작되는 궁극적인 피질 결정은 아닐 것이다. 특히 리드 타임은 자각이 시작된다고 보고하는 것에 있어서 어떤 타이밍의 부정확성에 의해서 설명되기에는 너무 길다. 그것은 이전 연구에서 중요하게 비판되었다. 정보의 시간적 배치는 정보 흐름의 잠재적인 인과관계 모델을 제시한다. 운동 결정의 초기 무의식적인 전구체들은 전두극 피질에서 시작되었다. 그것은 쐐기 앞소엽에서 결정관련 정보의 증강에 영향을 미치고 그런 다음 SMA에 영향을 미친다. 거기에서 증강은 최대 몇 초까지 무의식적으로 유지된다. 이것은 BA10이 의식적 행위 계획의 저장을 포함하고 부정적 피드백에 따르는 전략의 변화를 보이는 이전의 과제의 범위를 상당히 넓혀준다. 따라서 높은 수준 통제 영역의 네트워크는 자각으로 들어가기 오래전에 곧 일어날 결정을 형성하기 시작할 수 있다.

 

 

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