[Cognitive Psychology] #2 Cognitive Neuroscience /인지 신경과학

 

Cognitive Neuroscience
인지 신경과학

 

---

 

• The study of the physiological basis of cognition :인식의 생리적 기초에 관한 연구
• Involves an understanding of both the nervous system and the individual units that comprise that system :신경계과 그것을 구성하는 각각의 단위에 대한 이해

 

Levels of Analysis - 분석 수준

관심 있는 주제를 다각도, 다관점에서 검토
We do not examine topics of interest from a single perspective; we look at them from multiple angles and different points of view

• Each “viewpoint” can add small amounts of information that, when considered together, lead to greater understanding -> 각 "관점"은 함께 고려할 때 더 잘 이해할 수 있도록 하는 소량의 정보를 추가할 수 있음

ex) 생리적 수준의 분석
(a) 길은 메리와 대화할 때 주변 환경을 인식 (길의 지각과 관련된 생리적 과정은 화학 반응에서부터 단 하나의 뉴런, 뇌의 구조, 뇌의 구조 그룹에 이르는 수준에서 설명될 수 있음)
(b) 나중에 길은 메리와의 만남을 기억함 (기억과 관련된 생리적 과정도 다른 분석 수준에서 설명할 수 있음)

 

Building Blocks of the Nervous System (1 of 3) | 신경계 구성블록
• Neurons: cells specialized to create, receive, and transmit information in the nervous system
• Each neuron has a cell body, an axon, and dendrites

• 신경세포: 신경계 내의 정보를 생성, 수신 및 전달하기 위해 특화된 세포
• 각 뉴런에는 세포체, 돌기, 덴드라이트가 있다.

 

 

Nerve Nets and The Neuron Doctrine (1 of 2) | 신경망과 뉴런주의
• Early concept of interconnected neurons creating a nerve net, similar to a highway network
– Streets are connected without stop signs
– This allows for almost nonstop, continuous communication of signals throughout the network
• Contradicted by the neuron doctrine
– Ramon y Cajal
– Individual nerve cells transmit signals, and are not continuously linked with other cells

• 고속도로망과 유사한 신경망을 형성하는 상호연결 뉴런의 초기 개념
– 정지 표지판 없이 거리가 연결됨
– 이를 통해 신호의 거의 중단 없이 연속적인 통신이 가능 네트워크를 통해서.
• 뉴런 교리에 의해 모순됨
– 라몽 이 카잘
– 개별 신경 세포는 신호를 전달하며, 다른 세포와 지속적으로 연결되지 않음

 

 

Nerve Nets and The Neuron Doctrine (2 of 2)
(a) Nerve net theory proposed that signals could be transmitted throughout the net in all directions. (b) A portion of the brain that has been treated with Golgi stain shows the shapes of a few neurons. The arrow points to a neuron’s cell body. The thin lines are dendrites or axons

(a) 신경망 이론은 모든 방향에서 신호가 그물 전체로 전달될 수 있다고 제안했다. (b) 골기 얼룩으로 치료된 뇌의 일부분은 몇 개의 뉴런의 모양을 보여준다. 화살표는 뉴런의 세포체를 가리키고 있다. 얇은 선은 덴드라이트 또는 액슨이다.

 

 

Building Blocks of the Nervous System (2 of 3) | 신경계 구성블록 (2/3)
• Cell body: contains mechanisms to keep cell alive
• Dendrites: multiple branches reaching from the cell body, which receive information from other neurons
• Axon: tube filled with fluid that transmits electrical signal to other neurons

• 세포 본체: 세포가 살아있게 하는 메커니즘 포함
• 덴드라이트(조직): 세포체로부터 도달하는 여러 가지 가지 가지로서, 다른 뉴런으로부터 정보를 수신한다.
• 돌기: 다른 뉴런으로 전기 신호를 전달하는 액체로 채워진 튜브

 

 

Building Blocks of the Nervous System (3 of 3)

(a) Basic components of a neuron in the cortex. (b) A neuron with a specialized receptor in place of the cell body. This receptor responds to pressure on the skin.

신경계 구성블록 (3/3)

(a) 피질에 있는 뉴런의 기본 성분. (b) 세포체 대신 특수 수용체를 가진 뉴런이다. 이 수용기는 피부에 가해지는 압력에 반응한다.

 

 

 

How Neurons Communicate (1 of 6) | 뉴런의 의사소통 방법 (1/6)
• Action potential
– Neuron receives signal from environment
– Information travels down the axon of that neuron to the dendrites of another neuron
• Measuring action potentials
– Microelectrodes pick up electrical signal
– Placed near axon
– Active for ~1 second

• 행동 잠재력
– 뉴런이 환경으로부터 신호를 수신함
– 정보는 그 뉴런의 축을 따라 다른 뉴런의 덴드라이트로 이동한다.
• 조치 가능성 측정
– Microelectrodes가 전기 신호를 수신함
– 액슨(돌기) 근처에 배치
– 최대 1초간 활성화

 

In practice, most recordings are achieved with the tip of the electrode positioned just outside the neuron because it is technically difficult to insert electrodes into the neuron, especially if it is small. However, if the electrode tip is close enough to the neuron, the electrode can pick up the signals generated by the neuron.

Figure 2.5 Recording an action potential as it travels down an axon. (a) When the nerve is at rest, there is a difference in charge, called the resting potential, of −70 millivolts (mV) between the inside and outside of the axon. The difference in charge between the recording and reference electrodes is fed into a computer and displayed on a computer monitor. This difference in charge is displayed on the right. (b) As the nerve impulse, indicated by the red band, passes the electrode, the inside of the fiber near the electrode becomes more positive. (c) As the nerve impulse moves past the electrode, the charge in the fiber becomes more negative. (d) Eventually the neuron returns to its resting state.

실제로 대부분의 기록은 전극의 끝이 뉴런 바로 바깥쪽에 위치하는 것으로 이루어지는데, 특히 뉴런이 작을 경우 전극을 삽입하는 것이 기술적으로 어렵기 때문이다. 그러나 전극 팁이 뉴런에 충분히 가까이 있으면 전극이 뉴런이 생성하는 신호를 포착할 수 있다.

그림 2.5 도끼 아래로 이동하면서 작용 전위 기록. (a) 신경이 정지해 있을 때 도끼의 안과 바깥 사이에 -70 밀리볼트(mV)의 충전 전위(휴면 전위)라고 하는 차이가 있다. 기록 전극과 기준 전극의 충전 차이는 컴퓨터에 입력되어 컴퓨터 모니터에 표시된다. 이 전하의 차이는 오른쪽에 표시된다. (b) 적색 띠가 가리키는 신경충동이 전극을 통과하면 전극 근처의 섬유 내부는 더욱 양성이 된다. (c) 신경충동이 전극을 지나갈수록 섬유 내 전하가 음성으로 된다. (d) 결국 뉴런은 휴식 상태로 돌아온다.

 

• Measuring action potentials :조치 가능성 측정
– Size is not measured; it remains consistent
– The rate of firing is measured
 Low-intensity stimulus: slow firing
 High-intensity stimulus: fast firing

– 크기가 측정되지 않고 일정하게 유지됨
– 발화 속도 측정
〇 저강도 자극 : 느린 사격
∘고강도 자극 : 빠른 사격

 

Action potentials recorded from an axon in response to three levels of pressure stimulation on the skin: (a) light, (b) medium, and (c) strong. Increasing stimulus intensity causes an increase in the rate of nerve firing.
(a) 빛, (b) 중간, (c) 강도의 세 가지 압력 자극에 반응하여 액슨으로부터 기록된 작용 잠재력 자극 강도를 높이면 신경 발작 속도가 증가한다.

 

Synapse: space between axon of one neuron and dendrite or cell body of another
• When the action potential reaches the end of the axon, synaptic vesicles open and release chemical neurotransmitters
• Neurotransmitters, chemicals that affect the electrical signal of the receiving neuron, cross the synapse and bind with the receiving dendrites

시냅스: 한 뉴런의 액손과 덴드라이트 또는 다른 뉴런의 세포체 사이의 공간
• 작용 전위가 액손 끝에 도달하면 시냅스 베시클이 열리고 화학 신경전달물질이 방출된다.
• 수신 뉴런의 전기 신호에 영향을 미치는 화학물질인 신경전달물질은 시냅스를 건너 수신 덴드라이트와 결합한다.

 

---

 

Principle of Neural Representation | 신경 표현 원리
• Definition of the mind:
– a system that creates representations of the world, so we can act on it to achieve goals
• Principle of neural representation:
– Everything a person experiences is based on representations in the person’s nervous system

• 정신의 정의:
– 세계의 대표성을 창출하여 목표 달성을 위한 조치를 취할 수 있는 시스템
• 신경 표현 원리:
– 한 사람이 경험하는 모든 것은 그 사람의 신경계에 있는 표현을 바탕으로 한다.

 

Feature Detectors (1 of 2)
• Hubel & Wiesel (1960s) research with visual stimuli in cats
• Feature detectors:
– neurons that respond best to a specific stimulus

Figure 2.9 (a) An experiment in which electrical signals are recorded from the visual system of an anesthetized cat that is viewing stimuli presented on the screen. The lens in front of the cat’s eye ensures that the images on the screen are focused on the cat’s retina. The recording electrode is not shown. (b) A few of the types of stimuli that cause neurons in the cat’s visual cortex to fire.

형상 검출기(1/2)
• 고양이에게 시각적 자극을 주는 Hubel & Wiesel(1960년대) 연구
• 형상 검출기:
– 특정 자극에 가장 잘 반응하는 뉴런

그림 2.9 (a) 화면에 제시된 자극을 보고 있는 마취된 고양이의 시각 시스템에서 전기 신호를 기록하는 실험이다. 고양이의 눈 앞에 있는 렌즈는 화면의 이미지가 고양이의 망막에 집중되도록 한다. 기록 전극은 보이지 않는다. (b) 고양이의 시각 피질에 있는 뉴런이 불을 일으키는 자극의 몇 가지 유형이다.

 

• Experience-dependent plasticity
– the structure of the brain changes with experience
• Kittens exposed to vertical-only stimuli over time could only perceive verticals in normal stimuli
– demonstrated that perception is determined by neurons that fire to specific qualities of a stimulus

• 경험에 의존하는 소성
– 경험에 따라 뇌의 구조가 변화함
• 시간이 지남에 따라 수직 전용 자극에 노출된 새끼 고양이들은 정상 자극에서 수직만 인식할 수 있었다.
– 자극의 특정 특성에 불을 붙이는 뉴런에 의해 인식이 결정된다는 것을 증명함

 

---

 

Hierarchical Processing | 계층적 처리
• When we perceive different objects, we do so in a specific order that moves from lower to higher areas of the brain
• The ascension from lower to higher areas of the brain corresponds to perceiving objects that range from lower (simple) to higher levels of complexity

• 우리가 다른 물체를 감지할 때 뇌의 낮은 부분에서 높은 부분으로 이동하는 특정한 순서로 그렇게 한다.
• 뇌의 낮은 부분에서 높은 영역으로 상승하는 것은 낮은(단순)에서 높은 수준의 복잡성에 이르는 물체를 인지하는 것과 일치한다.

 

Sensory Coding (1 of 2) | 감각 코딩(1/2)
• Specificity coding:
– representation of a stimulus by the firing of specifically tuned neurons specialized to respond only to a specific stimulus
• Population coding:
– representation of a stimulus by the pattern of firing of a large number of neurons
• Sparse coding:
– representation of a stimulus by a pattern of firing of only a small group of neurons, with the majority of neurons remaining silent

• 특이성 코딩:
– 특정 자극에만 반응하도록 특별히 조정된 뉴런의 발사에 의한 자극 표현
• 모집단 코딩:
– 다수의 뉴런의 발화 패턴에 의한 자극 표현
• 희소 코딩:
– 대부분의 뉴런이 침묵을 지키면서 소수의 뉴런 그룹만 발화하는 패턴에 의한 자극 표현

 

Three types of coding: (a) Specificity coding. The response of 10 different neurons to each face on the left is shown. Each face causes a different neuron to fire. (b) Population coding. The face’s identity is indicated by the pattern of firing of a large number of neurons. (c) Sparse coding. The face’s identity is indicated by the pattern of firing of a small group of neurons.

코딩의 세 가지 유형: (a) 특정성 코딩. 왼쪽의 각 얼굴에 대한 10개의 다른 뉴런의 반응이 보여진다. 각각의 얼굴은 다른 뉴런을 발화시킨다. (b) 인구 코딩. 얼굴의 정체는 수많은 뉴런의 발화 패턴으로 나타난다. (c) 스파스 코딩 얼굴의 정체는 작은 그룹의 뉴런이 발사되는 패턴으로 나타난다.

 

Localization of Function 기능의 위치화
• Specific functions are served by specific areas of the brain
• Cognitive functioning declines in specific ways when certain areas of the brain are damaged
• Cerebral cortex (3-mm-thick layer covering the brain) contains mechanisms responsible for most cognitive functions

• 뇌의 특정 부위에 의해 특정 기능이 제공됨
• 뇌의 특정 부위가 손상되었을 때 인지 기능이 특정한 방식으로 저하됨
• 대뇌피질(뇌를 덮고 있는 3mm 두께 층)은 대부분의 인지 기능을 담당하는 메커니즘을 포함한다.

 

 

Localization of Function: Language
• Language production is impaired by damage to Broca’s area
– Frontal lobe
• Language comprehension is impaired by damage to Wernicke’s area
– Temporal lobe
Figure 2.16 Broca’s area, in the frontal lobe, and Wernicke’s area, in the temporal lobe, were identified in early research as being specialized for language production and comprehension, respectively.

기능 국산화: 언어

• Broca 영역의 손상으로 언어 생산에 지장이 있음
– 전두엽

• Wernicke 영역의 손상으로 언어 이해력이 저하됨
– 측두엽

그림 2.16 전두엽의 브로카 영역과 측두엽의 베르니케 영역이 각각 언어 생산과 이해를 위해 특화된 것으로 초기 연구에서 확인되었다.

 

 

Localization of Function: Perception
• Primary receiving areas for the senses
– Occipital lobe: vision
– Parietal lobe: touch, temperature, and pain
– Temporal lobe: hearing, taste, and smell
• Coordination of information received from all senses
– Frontal lobe

기능 위치 지정: 지각
• 감각을 위한 1차 수신부
– 후두엽: 시력
– 두정엽: 촉감, 온도 및 통증
– 측두엽: 청각, 맛, 후각
• 모든 감각으로부터 수신된 정보의 조정
– 전두엽

 

 

Double Dissociation
• When damage to one part of the brain causes function A to be absent while function B is present … and damage to another area causes function B to be absent while function A is present
• Allows us to identify functions that are controlled by different parts of the brain

이중 분리
• 뇌의 한 부분이 손상되어 기능 B가 존재하는 동안 기능 A가 부재하고 다른 부위가 손상되어 기능 A가 존재하는 동안 기능 B가 부재하는 경우
• 뇌의 여러 부분에 의해 제어되는 기능을 식별할 수 있도록 함

 

 

Localization Demonstrated by Brain Imaging (1 of 2)
• Functional magnetic resonance imaging (fMRI)
• Measures neural activity by identifying highly oxygenated hemoglobin molecules
– Activity recorded in voxels (3-D pixels)
Figure 2.17 (a) Person in a brain scanner. (b) fMRI record. Colors indicate locations of increases and decreases in brain activity. Red and yellow indicate increases in brain activity; blue and green indicate decreases.

Brain Imaging으로 입증된 위치(1/2)
• 기능자기공명영상(fMRI)
• 고산소 헤모글로빈 분자를 식별하여 신경 활동을 측정
– 복셀(3-D 픽셀)로 기록된 활동
그림 2.17 (a) 뇌 스캐너에 있는 사람. (b) fMRI 기록. 색상은 뇌활동의 증가와 감소 위치를 나타낸다. 빨간색과 노란색은 뇌활동의 증가를 나타내고, 파란색과 녹색은 감소함을 나타낸다.

 

 

Distributed Representation in the Brain
• Central principle of cognition:
– Most of our experience is multidimensional.
• In addition to localization of function, specific functions are processed by many different areas of the brain
• May seem to contradict the notion of localization of function, but the concepts are complementary

뇌의 분산된 표현
• 인식의 중심 원리:
– 대부분의 경험은 다차원적이다.
• 기능의 국산화 외에도 뇌의 여러 분야에 의해 특정 기능이 처리된다.
• 기능의 국산화 개념과 모순되는 것처럼 보일 수 있지만, 개념은 상호 보완적이다.