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Hacker News 30일 전

개인의 뇌-행동 연관성 감추는 '집단 평균'의 맹점

IMP
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핵심 요약

스탠퍼드 의대 연구진에 따르면, 여러 사람의 뇌 스캔 데이터를 단순 평균 내는 방식은 개인이 뇌를 사용하는 고유한 방식을 숨기고 왜곡할 수 있습니다. 특히 목표 지향적 과제에 어려움을 겪는 아동들의 경우, 집단이 아닌 개인 단위로 데이터를 분석했을 때 완전히 다르고 뚜렷한 뇌 활동 패턴이 나타났습니다. 이는 인지 조절 연구에 있어 개인 맞춤형 접근법의 중요성을 시사하며, ADHD 등 여러 정신의학적 질환을 이해하는 데 실질적인 도움을 줄 수 있습니다.

번역된 본문

스탠퍼드 의대(Stanford Medicine)의 새로운 연구에 따르면, 여러 사람의 뇌 스캔 데이터를 평균 내어 인지를 연구하는 방식은 개인이 자신의 뇌를 어떻게 사용하는지 감추는 것으로 나타났습니다.

특히 목표 지향적 과제에 어려움을 겪는 아동들의 경우, 다양한 능력을 가진 아동들의 집단의 일부로 분석하는 대신 개별적으로 데이터를 분석했을 때 뚜렷하고 구별되는 뇌 활동 패턴을 보였습니다. 이번 발견은 주의력 결핍/과다행동 장애(ADHD)와 같은 질환에서 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하는 데 시사하는 바가 크며, 관련 연구 결과는 4월 27일 '네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)'에 게재될 예정이다.

정신의학 및 행동과학 연구원인 퍼시 미스트리(Percy Mistry) 박사는 "개별 뇌 내에서 역학이 어떻게 전개되는지 조사하면 개인 차이에 대한 신경과학적 통찰력을 크게 제공하고, 기존의 접근 방식으로는 답할 수 없었던 질문들을 해결하는 데 도움이 될 수 있다"고 말했다.

미스트리 박사는 정신의학 및 행동과학 연구 데이터 분석가인 니콜라스 브래니건(Nicholas Branigan) 석사와 공동 제1저자를 맡았다. 교신저자는 정신의학 및 행동과학 교수이자 레이첼 L. 그리고 월터 F. 니콜스(Rachael L. and Walter F. Nichols) 의학 석좌교수를 겸임하고 있는 비노드 메논(Vinod Menon) 박사이다.

이 연구는 4,000명 이상의 아동을 대상으로 억제성 인지 조절(inhibitory cognitive control), 즉 누군가 과제를 수행하는 동안 뇌가 주의를 산만하게 하거나 관련 없는 정보를 억제하는 과정을 평가했다. 연구진은 아동들의 뇌 스캔 데이터를 단순 평균한 결과와, 동일한 과제를 반복 수행하는 각 아동의 시간적 역학(temporal dynamics)을 개별적으로 분석한 결과를 비교했다.

브래니건은 "우리의 연구는 인간 신경과학, 심리학 및 정신의학에서 개인화(personalization)를 향한 커져가는 움직임에 이론적 근거를 제공한다"고 말했다.

이러한 개별적 접근 방식은 인지 조절 및 수행 모니터링(performance monitoring, 오류를 범한 후 자신의 전략을 수정하는 능력) 수준이 다른 아동들의 하위 그룹을 식별할 수 있었다.

예를 들어, 양호한 인지 조절 및 수행 모니터링 능력을 가진 아동들과 이러한 능력이 떨어지는 아동들은 매우 다르고 종종 정반대의 뇌 역학적 특성을 보여주었다.

행동과 뇌 활동의 연관성을 밝히는 연구들이 일반적으로 집단 데이터의 평균을 바탕으로 결론을 도출한다는 점을 지적하며, 메논 교수는 "우리의 연구는 집단 평균이 뇌가 역동적으로 행동을 조절하는 방식에 대해 근본적으로 우리를 오도할 수 있음을 명확히 보여준다"고 말했다.

속도-정확도 트레이드오프(Speed-accuracy trade-off)가 주는 단서 심리학자들은 집단을 대상으로 연구했을 때 특정 방식으로 연결되어 보이는 행동들이 개인 수준에서는 동일한 방식으로 연관되지 않을 수 있다는 사실을 오랫동안 알고 있었다. 이를 보여주는 가장 좋은 예는 속도-정확도 트레이드오프 현상이다. 빠르게 산술 문제를 푸는 것과 같은 과제를 집단에게 주었을 때, 더 빠른 사람들이 일반적으로 더 정확한 경향이 있다. 하지만 한 개인에게 더 빨리 하라고 하면 정확도는 떨어질 가능성이 높다. 또는 한 사람에게 더 정확하게 하라고 하면 아마도 속도가 느려질 것이다.

전문가들은 유사한 현상이 뇌 내부에 숨겨진 방식으로 작용하는지 궁금해했다.

스탠퍼드 의대 연구팀은 억제성 조절(inhibitory control)을 측정하는 과제를 수행하는 아동들의 뇌 스캔 데이터를 분석했다. 업무나 목표에 집중하기 위해서는 주의를 산만하게 하는 요소나 관련 없는 사항에 주의를 기울이고 싶은 충동을 억제하는 동시에 목표 달성에 역행하는 행동이나 충동적인 행동을 억눌러야 한다.

억제성 조절은 과제를 완수하게 해준다. 낮은 억제성 조절 능력은 ADHD, 조현병(양극성 장애), 중독을 포함한 여러 정신과적 진단의 핵심 특징이다. 억제성 조절이 정상적으로 어떻게 작동하며 어떻게 오작동하는지 이해하는 것은 이러한 질환에 대한 더 나은 행동 치료법 개발을 안내하는 데 도움이 될 수 있다.

다르게 나타나는 개인별 결과 연구팀은 청소년 뇌 및 인지 발달(Adolescent Brain and Cognitive Development) 연구의 기준 방문의 일환으로 수집된 9~10세 아동 4,000명 이상의 데이터를 분석했다. 해당 연구는 뇌 성숙도를 추적하는 장기적인 연구이다.

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원문 보기 (영어)
Studying cognition by averaging data from many people’s brain scans hides how individuals use their brains, new Stanford Medicine research has shown. \n In particular, children who struggle with goal-oriented tasks show distinct patterns of brain activity when their data is analyzed individually, rather than as part of a group of kids with mixed abilities. The findings , which have implications for understanding how the brain works in such conditions as attention-deficit/hyperactivity disorder, will be published April 27 in Nature Communications . \n “Investigating how dynamics unfold within individual brains can provide significant insights into the neuroscience of individual differences and help us tackle questions that cannot be answered using conventional approaches,” said Percy Mistry , PhD, a research scholar in psychiatry and behavioral sciences, and a lead author of the study. \n Mistry shares lead authorship with Nicholas Branigan , MS, a research data analyst in psychiatry and behavioral sciences. The senior author is Vinod Menon , PhD, a professor of psychiatry and behavioral sciences and the Rachael L. and Walter F. Nichols, MD, Professor. \n The research evaluated inhibitory cognitive control — the process by which the brain suppresses distracting or irrelevant information while someone completes a task — in more than 4,000 children. The researchers compared results obtained by averaging brain-scan data of children against results obtained by analyzing the temporal dynamics in each child as they performed repetitions of the same task. \n “Our study provides theoretical support for a growing movement toward personalization in human neuroscience, psychology and psychiatry,” Branigan said. \n This approach was also able to identify subgroups of children with different levels of cognitive control and performance monitoring, or the ability to modify one’s strategy after making an error. \n For example, children with good cognitive control and performance monitoring and those with poor cognitive control and performance monitoring showed quite different — and often opposite — brain dynamics.   \n Noting that studies connecting behavior to brain activity typically draw their conclusions from averaging groups’ data, Menon said, “Our study clearly shows that group averages can fundamentally mislead us about how the brain dynamically regulates behavior.” \n A clue from the speed-accuracy trade-off \n Psychologists have long known that behaviors that seem linked in a certain way when you study them in groups may not be related in the same way in individuals. The best example is the speed-accuracy trade-off: If you ask a group of people to do a task such as quickly solving arithmetic problems, the faster people tend to be more accurate. However, if you ask one individual to go faster, their accuracy will likely decline — or, if you ask one person to be more accurate, they’ll probably slow down. \n Experts have wondered if a similar phenomenon plays out in hidden ways inside the brain. \n The Stanford Medicine team looked at brain scan data from kids doing a task that measures their inhibitory control. To focus on a job or goal, a person must suppress the urge to pay attention to distractions and things that aren’t relevant while inhibiting actions or impulsive behaviors that are contradictory to reaching their goal. \n Inhibitory control gets the job done. Poor inhibitory control is a hallmark of several psychiatric diagnoses, including ADHD, bipolar disorder and addiction. Understanding how inhibitory control normally works — and how it goes awry — could help guide the development of better behavioral therapies for these conditions. \n Individual results going a different way \n The research team analyzed data from more than 4,000 children, all 9 or 10 years old, that was collected as part of the baseline visit for the Adolescent Brain and Cognitive Development study , a long-term study tracking brain maturation into early adulthood. \n The children’s brains were scanned via functional magnetic resonance imaging while they completed an activity designed to assess inhibitory control. Called the stop-signal task, the activity consists of pressing a button in response to prompts on a screen. Every time the child saw “Go” on the screen, they were asked to press the button as quickly as possible. Occasionally, the “Go” sign was immediately followed by an additional “Stop” sign. The children were supposed to avoid pressing the button when they saw this infrequent, unpredictable Stop cue. \n The research team examined aspects of what the brain was doing during the task on every trial — both when comparing the children with one another and when analyzing several repetitions of the task by the same person. \n The researchers found several brain-behavior links that were different within individuals than in the group as a whole. \n For instance, when analyzing average trends in groups of children, slower reaction times to the “Go” signal were linked to increased activity in many brain regions, including the default mode network, which is involved in daydreaming, thoughts about oneself and mind-wandering. \n However, when an individual had a slower reaction time to the “Go” signal, activity decreased in the default mode network — the opposite of the group-level pattern. \n “Group-level associations substantially mischaracterize the neural dynamics governing processing speed at the individual level,” the research team wrote. \n The researchers also developed a mathematical model that enabled them to study how the children adapted their reactions during several repetitions of the stop-signal task. Children with adaptive (good) regulation showed faster stopping reactions as they got further past the first “Stop” signal, correctly anticipating that each subsequent trial was more likely to be another “Stop.” Children with maladaptive reactions showed the opposite pattern, indicating decreasing expectancy of a second “Stop” signal. This difference shows up in the scans, manifesting as opposite reactions in activity in specific brain areas among the children with adaptive and maladaptive regulation. \n The analysis also showed that some effects seen in the entire group of children were driven solely by children in one of the groups; in other words, the average results obscured what happened in many children’s brains. \n Various pathways \n The researchers also found that cognitive control has multiple components, which are orchestrated by different parts of the brain, including proactive control (preparing to stop) and reactive control (actually stopping). The brain regions used in these sub-processes are not always talking to each other in the same way in kids with stronger versus kids with weaker cognitive control. \n “When children are weaker at cognitive control, they may be able to compensate for that with a more proactive approach or an alternate cognitive pathway,” Mistry said. “That’s interesting because it moves the dialogue away from cognitive control being a static capacity that children have, to something that can perhaps be regulated or driven in multiple ways.” \n The findings may prove useful in designing new approaches to help children with ADHD improve in the types of behavior regulation that are hard for them, Mistry added. “If you’re looking at strategies in the classroom, this data points to the fact that inhibitory cognitive control is not a single capacity. There are multiple pathways involved, and perhaps students can learn to engage specific pathways to be more proactive about their inhibitory control approach,” he said. \n Not only does the study open new possibilities for understanding human variability in brain function, but it should encourage neuroscientists to examine how each person reacts to specific situations, Menon added. \n “We really have to pay attention to each person’s unique brain responses, because we’re trying to