2014년 10월 14일 화요일

뇌 발달이 수학 문제 풀이 전략을 바꾼다




어른에게 간단한 산수는 어렵지 않습니다. 하지만 일부 어린이들은 손가락을 가지고 많은 시간을 들여야 풀 수 있습니다. 최근 'Nature Neuroscience​'에 발표된 연구에 의하면 뇌에서 기억형성과 연관된 해마의 변화는 어린 아이들이 수학 문제를 푸는 효과적인 전략을 습득하게 도움을 준다고 합니다. 또한 일부 어린이들이 다른 아이들보다 더 빠르게 배우는 이유를 설명하여 줍니다. 

스탠포드 대학교의 신경과학자인 비노드 메넌(Vinod Menon)의 연구팀은 1단위의 숫자를 더하는 문제를 7세에서 9세 사이의 어린이 28명에게 제시하였습니다. 또한 14~17세 사이의 사춘기 20명과 20명의 젊은 청년들에게도 제시했습니다. 이전 심리학 연구와 동일하게 어린이들은 숫자를 일일이 세는 방법에 크게 의존했지만 사춘기의 청소년들과 어른들은 계산법을 기억하여 사용하였습니다. 


Committed to memory

이러한 발달상의 풀이 방법의 변화는 동일한 어린이를 일년 차이로 두 번 테스트하면서 확연히 드러났습니다. 어린이가 나이를 먹으면서 손가락으로 숫자를 세는 방법에서 기억에 근거한 전략으로 바뀌게 됩니다. 과제를 풀면서 혼자 숫자를 말하거나 입술과 손가락 운동이 감소하는 경향을 측정하여 평가하였습니다. 

fMRI를 이용하여 어린이들의 뇌를 스캔해보니 첫번째와 두번째 테스트 사이에서 해마의 활동이 증가한 것을 관찰했습니다. 그리고 숫자 세는 것과 연관된다고 알려진 전전두피질(prefrontal cortex)과 두정엽(parietal cortex)의 일부분에서의 신경활동은 감소했습니다. 이는 동일한 계산이 다른 신경회로로 연결된다는 것을 의미합니다. 

웨스턴 대학교(Western University)의 발달인지 신경과학자인 다니엘 안사리(Daniel Ansari)는 이 연구가 정말로 매우 새로운 기여를 하고 있다고 말했습니다. 오랫동안 계산 전략에서 발달상의 변화가 나타난다는 사실을 알고 있었지만, 근본적인 메커니즘은 알려진바 없었습니다. 이전에 이루어진 fMRI 연구는 다양한 시점에서 어린이들을 추적한 경우가 거의 없었습니다. 많은 어린이들이 뇌 스캔과정에서 얌전하게 있기 힘들기 때문이기도 합니다. 


Connections that count 

어린이에서 나타나는 초기의 해마 활동의 증가에도 불구하고, 메논의 연구팀은 신경신호의 강도는 수학적 소질에서 중요한 것은 아니라는 점을 발견했습니다. 사실 더하기 문제는 사춘기 청소년과 성인에게는 해마와의 연관성이 적어지기 때문입니다. 

대신 해마에서의 신호와 나머지 두뇌 활동과의 조화가 가장 중요하며, 특히 장기 기억을 저장하는 신피질(neocortex)이 중요합니다. 해마와 신피질 사이의 연결이 더 강한 어린이들은 수학적 사실을 기억하여 문제를 해결할 가능성이 높습니다. 

뉴욕 로체스터 대학교(University of Rochester)의 신경과학자인 제시카 캔틀런(Jessica Cantlon)​에 의하면, 이번 발견은 수학 발달에 대한 현재 이론을 경험적으로 지지하는 연구결과라고 합니다. 하지만 그녀는 "해마와 신피질 사이에서 전달되는 정보가 무엇인지 우리는 모릅니다"라고 말했습니다. 이러한 문제를 풀 수 있는 한 가지 방법은 해마에 손상을 입은 어린이나 수학학습장애를 갖는 어린이를 연구하는 것이라 합니다. 

메논은 해마의 성숙과 연결성이 기억에 근거한 수학풀기 기술 발달 뿐만 아니라 다른 형태 학습의 기저를 이룰 것이라 주장했습니다. 더 많은 연구가 있어야 하겠지만 이는 일반적인 원칙이라 생각할 수 있습니다. 


네이처, 2014년 8월 16일 (Nature doi:10.1038/nature.2014.15724) 
원문 : Qin, S. et al. Nature Neurosci. http://dx.doi.org/10.1038/nn.3788 (2014). 
         Geary, D. C., Hoard, M. K., Byrd-Craven, J. & DeSoto, M. C. J. Exp. Child. Psychol. 88, 121–151 (2004).