인간의 이해: 뇌과학, 인지(신경)과학 그리고 미래

인간의 이해:뇌과학,

인지(신경)과학그리고 미래

2015

성균관대학교 일반대학원 휴먼ICT융합학과 교수/홍익대학교 영상대학원 HCI개론 강의/

연세대학교 공학대학원 서비스디자인경영 강의/HEDcentric UX미래융합전략연구소 연구소장

Billy(최병호)/ [email protected]

Research Data: http://www.slideshare.net/BillyChoi/Twitter/Facebook: ILOVEHCI

휴먼ICT융합 blog: http://humanictconvergence.blogspot.kr/UX미래융합전략연구소 blog: http://blog.naver.com/soularchitec

© 2015 최병호 All rights reserved.인간의 이해: 뇌과학, 인지(신경)과학, 미래

Table of Contents

• Development(뇌의 발생)

• Social cognition: Perceiving the mental states of others(사회적 인지: 다른 사람의

정신상태 지각하기)

• The brain(뇌)

1

Development(뇌의 발생)


New techniques for investigating the developing brain

• 유아와 아동에게 뇌기능을 연구하는 방법들: 왼쪽 상단은 EEG전극 배열, 왼쪽 하단은유아와 아동을 찍기 위한 MRI 시설, 오른쪽은 MRI를 찍을 때 활용하는 유아용특수의자(Source : Ghislaine Dehaene-Lambertz)


Probabilistic epigenesis(확률적 후생) by Gottlieb and Halpern(2002)

• 예정된 후생학(Predetermined epigenesis): 유전자에서 뇌구조로 그리고 뇌와 인지기능에의 변화로 일방향적인원인 경로가 있다고 주장

• 확률적 후생학(Probabilistic epigenesis): 유전자 간에 상호작용, 뇌의 구조적인 변화, 기능을 양방향적인 것으로간주. 양방향 상호작용이란 유전자들에 의해 행동변화가 일어날 뿐만 아니라, 어린이에게의 감각입력은 유전자발현패턴에 변화를 가져올 수 있다는 의미 (예) 갓 태어난 아이는 다른 사람들의 얼굴을 잘 바라보게 편중되어있는 원시적 뇌회로가 있어서(Johnson, 1991), 얼굴에 대한 어려서부터의 주의집중은 얼굴을 처리하도록 하는시각경로에 관여하는 신경회로가 발달하게 처리함. 이런 형성과정에 깔려있는 신경해부학적 변화는 차별적유전자 발현에 기인함

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유전적 활동(유전자 간의 상호작용)

신경 활동(뇌의 구조적인 변화)

개인의 발달

양방향 영향들

A systems view of psychobiological development(심리생물학 발달의 시스템 관점). Source : Adapted from Gottlieb and Halpern, 2002.

행동(기능)


Incursion of a teratogen(테라토젠의 침입)

• 테라토젠: 탄생 시기 전에 해를 끼칠 수 있는 환경물질

• 테라토젠의 예: 처방 또는 심지어 비처방 약물들, 커피와 음료수의 카페인, 코카인, 헤로인 같은 불법마약류, 담배, 미라화나, 술 등

• 테라토젠의 효과: 양, 임신기간, 산모의 유전적 특성에 따라 어떤 사람은 다른 이들에비해 더 취약할 수 있는 등 복잡한 양상을 띌 수 있음

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Fetal alcohol syndrome (FAS; 태아 알코올 증후군)

• 태아 알코올 증후군을 가진 어린이와 정상적인 발달아 사이의 회질 도 차이: FAS를가진 어린이들은 특히 좌반구의 측두엽 영역에서 휠씬 증가된 도 보유(Sowell et al ., 2002.). 해당 뇌 영역은 소년기와 사춘기 후반기까지 성숙되는 영역임

• 태아의 뇌는 술에 특히 취약. 임산부가 술 중독일 경우 인지, 언어, 사회성 발달 등에장기적 결함이 발생하는 FAS에 걸림(Jones and Smith, 1973; Jones, 1975).

Source : Toga et al ., 2006.


Effects of prenatal use of marijuana smoke on young adults (18 – 22 years)

• 임산부의 담배 또는 마리화나 흡연의 장기적 효과: 인지 손상이 초기(3세까지)에일어나고 장기적으로 지속됨. 마리화나 흡연은 지능 결함은 발생하지 않지만 주의집중, 작동기억에 손상되고, 시각통합, 분석, 추론능력이 떨어짐. 단 담배는 더 심각하여 일반적지능의 감소, 초기아동시기(3세)부터 사춘기(16세)까지 청각기능 결함, 언어적 작동기억결함이 발생함(Fried et al ., 2003)

전두엽의 우반구영역 활동 감소: 시공간 단기기억이 필요한 과제 수행 관여

전두엽의 좌반구영역 활동 증가

Source : Smith et al ., 2006.


Prenatal hearing experience(태아의 청음 경험)

• 잉태 후 30주: 태아는 백색소음(white noise)과 같은 간단한 소리를 듣고반응함(Lecanuet et al ., 1987; Groome et al ., 1999).

• 잉태 후 37~42주: 태아는 회화음성(speech sounds)의 종류(모음, 자음-모음 음절)구분함(Lecanuet et al ., 1987; Groome et al ., 1999).

• 임신 후반기의 태아: 친숙한 목소리와 그렇지 않은 목소리 구분, 엄마의 음성에 특정한선호 보유(DeCasper and Fifer, 1980).

• 태교음악: 후기태아(잉태 33~37주)일 때에는 음악흐름에서 템포의 변화 구분 가능. 단초기태아(28주)는 이런 효과 나타나지 않음

• Kisilevsky와 연구진의 수행한 연구결과는 엄마 목소리에 대한 그리고 음악에 대한 일부고차원적인 청각 지각은 탄생 전에도 일어날 뿐만 아니라 자연적으로 변하고 성숙한다는것을 알려주고 있음

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The anatomy of brain development(뇌 발생의 해부학)

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전뇌중뇌

후뇌

척추

두부굴곡경부굴곡

간뇌

소뇌

교뇌굴곡

연수

종뇌

신경망막

중뇌

후뇌(교뇌, 소뇌)

수뇌(연수)

외측내실

제3뇌실

대뇌수관

제4뇌실

척추동물 뇌와 척수는신경관에서 발생. 인간배아발생의 연속적인단계(a,b,c). 이 기본적 뇌분할은 성숙한 뇌(c)의 전체적해부적 조직화에 관련

(피질, 시상, 시상하부 생성)


인간 뇌 발달 과정

• 뇌 구조의 모습은 2세가 되면 성인의 뇌 모습과 유사, 대부분의 모든 섬유들은 3세가 되면관찰됨(Huttenlocher and Dabholkar, 1997; Bourgeois, 2001)

• 뇌 전체 크기는 6세가 되면 성인 뇌의 90%에 이르지만, 계속적으로 사춘기 거쳐 성인이 될 때까지진보적 과정과 퇴행적 과정이 동시에 일어나는 역동적인 변화 거침(Thompson and Nelson, 2001.)

임신

신경배형성

세포증식과 이주 감각운동

피질

두정 및 측두연합피질

전전두 피질

시냅스 생성과 시냅스 제거

마이엘린화(신경돌기들과 섬유들을 감싸는 지방껍질의증가. 전기전달의 효율 증가 기능)

경험-의존적 시냅스 형성과 수상돌기 수지형성

Source : Casey et al ., 2005.

Social cognition: Perceiving the mental statesof others(사회적 인지: 다른 사람의정신상태지각하기)


Social cognition

• Perceiving the mental states of others

• A uniquely human trait is the ability to understand each other as conscious beings with internal mental states.


Terms that are used to refer to social cognition(1/7)

• Empathy(공감) carries the sense of feeling the feelings of others. In Latin, the word means ‘feeling inside’(내면을 느끼는 것) or ‘feeling with’(~와 느끼는 것).




• Theory of mind (TOM, 마음의 이론) is often used to highlight the idea that we normally have complex metacognitive understandings of our own minds as well as the minds of others –including cognitive and affective aspects(인지와 정서적 측면). One of the most difficult aspects of understanding the concept of theory of mind is understanding the difference between seeing others as sensory objects versus seeing others as subjective beings with minds and mental states.





• Frith and Frith(1999) introduced the term mentalizing(마음화) to capture the idea that, when we have a well-developed Theory of Mind, we understand ourselves and others not just as sensory objects(감각적 대상) but also as subjective beings with mental states(정신상태를 가진 주관적 존재). We understand others as having mental states that we can anticipate and make use of to guide our own behaviors.





• Frith and Frith(1999) introduced the term mentalizing(마음화) to capture the idea that, when we have a well-developed Theory of Mind, we understand ourselves and others not just as sensory objects(감각적 대상) but also as subjective beings with mental states(정신상태를 가진 주관적 존재). We understand others as having mental states that we can anticipate and make use of to guide our own behaviors.

• Mind-reading(마음 읽기), like mentalizing, identifies our ability to attune(맞출 수있는 능력) our own behaviors to the minds and anticipated actions of others.



• Philosophers use the term intentionality(지향성) when they want to speak about how minds and mental states are always ‘about something else’ in a way that other physical objects, i.e. body parts, are not. Our thoughts always have an object. Minds have mental states; minds represent objects and events outside themselves.




• A separate concept is the psychological term ‘intention(의도)’ , our ability to form an image of a goal state and to organize action in pursuit of that goal state. Theory of mind abilities allow us to read the intentions of others and to share attention with others about a common focus.




• A separate concept is the psychological term ‘intention(의도)’ , our ability to form an image of a goal state and to organize action in pursuit of that goal state. Theory of mind abilities allow us to read the intentions of others and to share attention with others about a common focus.

• The term intersubjectivity(상호주관성) emphasizes our ability to coordinate mutual interactions in light of our perception of the subjectivity and intentionality of others. When this ability is absent, we readily recognize the deficiency in the social exchanges of others. Examples are found in autistic spectrum disorders(자폐적 스펙트럼 장애), in the sometimes deficient emotion recognition of schizophrenia(정신분열증의 정서 재인결함), and in the empathic failures of psychopathic(정신병) and borderline personalities(경계역 인격).


Approaches to perceiving others’ minds(타인 마음을 지각하기 위한 방법)(1/4)

• Once past our fourth birthday (whether we are normally developing or developmentally delayed), we human beings give indications of understanding other minds – ‘ mentalizing ’ as Chris Frith has called it. We can recognize and respond to the invisible, internal subjective regularities that account for the behaviors of others.

• We will call the full-fledged ability to understand and predict our own and others’ minds theory of mind (TOM).

• TOM has been explained by three kinds of theories: module theories, theory theories, and simulation theories.

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• Theory theories suppose that TOM capabilities develop as a primitive, implicit theory over the course of development, much like Piaget’s conservation theories(피아제보존이론).

Such implicit theories predict abrupt changes in behavior as new knowledge is added, as is seen in the abrupt change in children’s understanding of their own minds between ages three and four.

We act as if we have a complex set of rules about our own and others’ mental states.

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• Simulation theories suppose that we understand other minds by internally simulating or ‘running off line’ the mental states of others in each situation.

The dual responsiveness of mirror neurons to self- and other-generated action could be taken as support for simulation theory.

The system that allows us to imitate others seems to operate through internal simulation of the actions of others.

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• According to module theories , such as that of Simon Baron-Cohen, human beings develop a theory of mind module (TOMM) that is separate from but builds on other mental abilities that may be shared with nonhuman primates and other mammals.

Only humans are presumed to have a complete TOMM. This kind of theory fits well with findings from the study of autism(자폐증).

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AN ORGANIZING FRAMEWORK FOR SOCIAL COGNITION(1/5)

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Source : Adapted from Baron-Cohen, 1995.

3방향 표상들(두 관찰자는 같은대상을 관찰할 뿐만아니라 상대방이 같은 것을 보고 있다는 것을 알아야 함)

자가추진과 방향성을 지닌 자극들안구와 유사한 자극들

안구-방향 검출기지향성 검출기

자신과 타인을 이해하고 예측하는데사용되는 심리상태의 지식

양방향 상호작용

Detection of intentions of others타인의 의도를알아내는 것

Detection of eye-direction눈 방향을 알아내는 것

공유하는 주의집중

complex repertoire of implicitknowledge about others타인에 대한 암묵적 지식의 복잡한 목록

(Two-way)

There is one perceiver(하나의 지각자) and one object of perception(지각되는 하나의 대상) .



• Intention

Intentionality detector(ID) This is the ability to perceive intention or purposeful action in many forms of

biological and non-biological movement. We interpret action as intention. For example, when we watch leaves swirling in a parking lot, we have a tendency to

see the leaves as ‘wanting to go together’. We ascribe a common purpose to the leaves.

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• Eye detection(안구 탐색)

Eye direction detector(EDD) The skill to detect eyes and eye-like stimuli and to determine the direction of

gaze. Cats, for example, use eye direction as part of their social dominance behavior(사

회적 우월성 행동) with other cats; the non-dominant cats must avert their eyes in the face of the dominant cat.

Humans, from the first hours of life, search for and focus on the eyes of their

caregivers. We also have a strong tendency to see non-living stimuli as eye-like; hence,

we see the ‘man in the moon’(달에 있는 사람) and faces on automobiles(자동차의 앞 얼굴), gnarled trees(마디 투성이 나무), and mountains(산의 얼굴모습).

The ‘language of the eyes’ seems to be a fundamental means of communicating mental states among humans.

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• Shared attention(공유된 주의집중)

Shared attention mechanism (SAM) The ability we have, by the end of our first year of life, to understand that when

someone else shifts his or her direction of gaze he or she is ‘looking at’ something. We seem to learn that looking leads to seeing – an advance over the simpler

signal of eye direction. Gaze shifting and social pointing of fingers are ways we learn to direct the

attention of a companion.(시선을 돌리고 남을 위해 손가락으로 가리켜주는 것은 상대방의 주위를 돌리기 위해 우리가 배운 방식들이다.)

Infants before 1 year of age, most other primates, and other mammals do not have a shared attention ability.

Similarly, an infant at 6 months does not turn her head to follow the caregiver’s gaze; a 1-year-old does.

Shared attention abilities mark(구별) the human species.

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• Higher-order theory of mind(최상위의 마음 이론)

Theory of mind module(TOMM) A complex knowledge base containing rules of social cognition that develops by

the time we reach our fourth birthday. Some of the things that the TOMM tells us by the age of 4 years: Appearance and reality are not necessarily the same: a rock can look like an egg

but not be an egg; I can pretend to be a dog and not be a dog Other people have mental states as well as physical states I can fool or deceive others, I understand the the point of games like hike-and-

seek

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MIRROR NEURONS AND INTENTION DETECTION(거울뉴런과 의도검출)

• The mirror neuron system (MNS) is a collection of cortical neurons(피질뉴런) that is theorized to allow one to understand the intentions of others from observation of their actions.

• These cortical neurons have the remarkable property that the individual mirror neuron fires not only when a particular action is perceived but also when the observer performs the same action.

• Mirror neurons are being examined as a basis for inferring the goals and intentions of others through internal matching of action representations of others’ actions with action representations in one’s own action repertoire.(거울뉴런들은 타인 행동의행동표상을 자신의 행동목록에 있는 행동표상과 내적으로 맞추어보는 과정을 통해타인의 목표와 의도를 추정하기 위한 하나의 기반으로 여겨지고 있다.)

• The original work on mirror neurons was conducted by Rizzolatti et al . at the University of Parma in Italy in the early 1990s.

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• Monkey to human homologies in mirror neuron locations and functions. (a) A lateral view of the macaque right

cortex.(붉은털원숭이 우반구 피질의 모습)

(b) A lateral view of the human right cortex.(사람 우반구 피질의 옆모습)

• 손의 활동 부호화(code for hand actions): 원숭이의 F5영역(a)과 사람의 브로드만 영역44(b)

• 팔과 손목의 움직임에 반응(both respond to arm and wrist movement): 원숭이의 F4영역(a)와 사람의 브로드만 영역 6(복측전운동피질(vPM, ventral premotor cortex))(b)

Source : Rizzolatti et al ., 2002.



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• Monkey to human homologies in mirror neuron locations and functions. (a) A lateral view of the macaque right cortex.(붉은털원숭이

우반구 피질의 모습) (b) A lateral view of the human right cortex.(사람 우반구 피

질의 옆모습)

• 손의 활동 부호화(code for hand actions): 원숭이의 F5영역(a)과사람의 브로드만 영역 44(b)

• 팔과 손목의 움직임에 반응(both respond to arm and wrist movement): 원숭이의 F4영역(a)와 사람의 브로드만 영역 6(복측전운동피질(vPM, ventral premotor cortex))(b)

• 원숭이의 개별적 전두 뉴런과 사람의 전전두 영역은 개체의 주위공간에서 특정한 위치를 향해 팔과 손목을 움직이는데 조율되어 있음

• 이것은 거울뉴런이 팔과 손목의 일반적인움직임을 단순히 표상하는 것이 아니라 공간 속에서의 특정 위치에 도달하는 것과 같은 특정한 목표에 연결되어 있는 행동에 반응한다는 것임Source : Rizzolatti et al ., 2002.



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• 사람의 브로드만 영역 44(b)

브로카 영역. 이곳은 피질회화언어영역(cortical speech Area)임

거울뉴런기능 보유. 손과 팔의 행동들 표상 관여(Iacoboni, 2005)

즉, 브로카 영역은 복합적인 기능 수행

Source : Rizzolatti et al ., 2002.



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• 하두정피질(IPC, Inferior parietal cortex) = 상연회(supramarginal gyrus) = 브로드만 영역 40(Brodmann

area 40)

• 복측 전운동 피질(vPM, ventral premotor cortex) = 하 브로드만 영역 6(lower

Brodmann area 6)

• 후위 하전두회(posterior inferior frontal gyrus) = IFG의 판개부(pars opercularis

of IFG) = 브로드만 영역 44(Brodmann

area 44.)거울뉴런체계가 그려져 있는 모습의 좌반구



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• Decetry et al.(2002) 등의 발견 타인이 하는 행동을 우리가 흉내

낼 때 좌반구 하두정피질(IPC) 활동

다른 사람들이 우리의 행동을 따라할 때에는 우반구 하두정피질(IPC)가 유의미하게 활성화

즉, 사람에게는 전두와 두정 두곳에 거울뉴런의 센터가 있음. 이를 합쳐 전두두정거울뉴런체계라일컬음

• Wicker et al.(2003a) 발견 정서 모방 관찰

거울뉴런체계가 그려져 있는 모습의 좌반구



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Source : Iacoboni et al ., 2005.



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Results: Actions embedded in contexts (Intention condition) yielded a significant increase in activation in the posterior part of the inferior frontal gyrus and the adjacent sector of ventral premotor cortex


Eye and gaze processing(안구와 응시 처리)

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Source : Emery, 2000.

상호응시 대외면한 응시

응시 따라감 공동의 주의집중


Ethological review of eye/gaze processing across classes of animals

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조사 대상 안구 존재 단순 응시 응시 따라감 공동의 주의집중 정신적 귀속

원시원숭이

유인원 (고릴라, 침팬지, 보노보, 우랑우탄)


Face perception(얼굴 지각)

• 사람 얼굴의 변하지 않는 측면들에 대한 지각은 하측두엽의 일부(part of the inferior temporal lobe)인 방추상 얼굴 영역(Fusiform Face Area, FFA)에서 일어남

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Source : Caldara et al ., 2006.

방추상회

부해마회


Social cognition of others like and unlike us: I-It in the brain?

• Mitchell et al . (2006)의 연구에 따르면, 참가자들에게 정치적 성향에서 그들과 같은(유사한) 사람들과 그렇지 않은 사람들(비슷하지 않은)의선호하는 것들에 대해 추측해보라고 지시했을 때내측 전전두피질(medial prefrontal cortex)에서뚜렷한 활성의 차이가 나타났음

• 또한 복내측 전전두피질(ventromedial prefrontal cortex, VM-PFC) 영역들이 유사한 사람들에 대한판단 시 활용하는 반면, 배내측(dorsomedial) PFC는유사하지 않은 사람들에 대한 판단 시 활성화되었음

• 옆의 사진은 유사한 타인들 또는 유사하지 않은타인들을 이해하는 것에 대한 것임 (a) 복내측 PFC 활성화가 유사한 타인들을 판단할 때 일어남 (b) 배내측 PFC는 유사하지 않은 타인들의 판단에서활성화됨

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Source: Mitchell et al ., 2006.


자폐증에서 손상된 사회적 인지(1/4)

• 어린이의 자페스펙트럼장애(ASD)를 진단하는 한 가지 방법은 Hana와 Benny 이야기와같은 그릇된 믿음 ‘게임’을 시켜보는 것임

• 어린이들에게 이야기 속의 등장 인물들이 믿는 바들에 대해 마음에 새겨두라고 지시함. 등장인물의 마음을 읽지 못하는 어린이들은 자폐증에 대해 더 진단을 해 볼 필요가 있음

• 마음의 이론 기술들에게서의 결함은 오랫동안 ASD 진단 항목이 되어 왔음(Baron-Cohen, 1995).

• Dapretto et al(2006)이 발견한 증거에 따르면, 자폐어린이에게 전두거울 뉴런체계에기능적 결함이 있음

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42

Source: (from Shamay-Tsoory et al ., 2005)



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The Brain(뇌)

시공간스케치패드

습관 및 운동기술서술적 지식시각 지식언어와 의미자전적 기억지각적 기억

학습과 회상

언어리허설


The neocortex or primate brain(신피질 또는 영장류 뇌)

• 피질: 껍질(나무) 의미

• 파충류와 초기 포유류의원시적 피질과 구별하여나타남; 최근 3백 년 간

• 해마 영역들은구피질(paleocortex)로서, 4~5층, 신피질은 6개의뚜렷한 세포층(six distinct cellular layers) 보유

• The four major lobes of the cortex are visible from a lateral view of the brain.

전두(엽)

두정(엽)

측두(엽)

후두(엽)

소뇌


Some major functions of the human cortex

측면 모습

내부(중앙선) 모습

시각

청각과 베르니케 영역(회화 입력)

체감각과 다중감각

운동조절

집행기능과 브로카영역(회화 출력)

후각

후반부(감각)

전반부(운동과 집행)

실비안(외측)열

뇌량(양반구를 연결하는 흰 섬유들)


The triune brain theory(삼위일체 뇌)

• The forebrain evolves and expands along the lines of the three basic neural assemblies that anatomically and biochemically reflect ancestral commonalities with reptiles, early mammals, and late mammals. (Source : Adapted from MacLean, 1967, with kind permission.)

신포유류

구포유류(변연계)파충류


The triune brain theory(삼위일체 뇌) (계속)

• Paul MacLean 1990년도입

• Orange represents the primate brain영장류

뇌(neocortex신피질), green is the mammalian brain포유류

뇌, and yellow is the reptilian brain파충류 뇌.

• 진화 과정에서 3개층(layer)으로 형성. 서로 긴 히 연결되어있으나 각각 기원이다름


The Reptilian Brain(파충류 뇌)

• 뇌간(brainstem)으로구성

• 뱀과 도마뱀의 뇌

• 경험에서 배우는 것이없으며, 고정된방식으로 본능적인행동 반복

• 호흡, 심박율, 신체균형 등처럼 생존에필요한 활동 통제


The mammalian brain(포유류 뇌)

• 주로 변연계(limbic system; Papez 회로)로 구성; 편도(amygdala), 해마(hippocampus), 부해마피질(parahippocampal cortex), 전대상회(cingulate gyrus), 시상하부(hypothalamus), 복측 선조체/측핵(ventral striatum/nucleus accumbens)

• 변연은 라틴어 limbus에서유래. 경계(border), 모서리(edge) 의미; 대뇌반구 속 외측뇌실들(액체가 차 있는공간) 모서리 주위. 1937년Papez 논문 발표

• 정서(human emotion)에서주된 역할. VM-PFC (ventromedial prefrontal cortex복내측 전전두피질)와 연결때문

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The mammalian brain(포유류 뇌) (계속)

• 위험, 번식 욕구, 양육 욕구, 음식 획득(danger, reproductive and nurturance needs, and acquisition of food)에반응 역할

• ‘close enough is good enough ’ rule(비슷하면충분하다) 적용; 풀밭에서물 호스를 뱀으로 오인; ‘rather be safe than sorry’

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References


인용/참조 문헌

• <Cognition, Brain, and Consciousness: Introduction to Cognitive Neuroscience, 2nd Edition> by Bernard J. Baars and Nicole M. Gage(Mar 11, 2010)

• <The Future of the Mind: The Scientific Quest to Understand, Enhance, and Empower the Mind> by Michio Kaku(Feb 17, 2015)

경청해주셔서고맙습니다!

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