구어와 언어 능력의 리듬을 통합하고 관장하는 두뇌 영역

듀크대학교와 MIT 연구팀은 구어(spoken language)의 핵심적 요소인 말의 타이밍을 관장하는 두뇌 영역을 발견하였습니다. 인간이 구어를 어떻게 이해하는지 알게해 줄 것으로 기대됩니다. 언어의 타이밍은 인간 사이 대화의 구조에서 중요한 역할을 합니다. 가령 음성체계에서 단어의 의미를 구별짓는 최소 소리 단위인 음소(phonemes)를 말할 때에 걸리는 시간은 평균적으로 30~60ms입니다. 하지만 음절(syllables)은 200~300ms가 걸립니다. 완전한 단어는 말하는데는 더욱 오랜 시간이 걸립니다.

말을 이해하기 위해서 두뇌는 이렇게 빠르게 들어오는 정보를 통합시켜야 합니다. 청각 시스템은 정보를 잘 처리하기 위해 단순화하는 방법을 찾습니다. 예를 들어 평균적 자음이나 음절의 길이가 유사한 청크(chunk, 한번에 하나의 단위로 배울 수 있는 어구)에서 정보를 샘플링하여 추출합니다.

구어와 언어 능력

이번 연구는 Journal Nature Neuroscience에 게재되었습니다. 연구원들은 30~960ms 길이를 가지는 짧은 청크에 외국말을 잘라넣어 녹음했습니다. 그후 '스피치 퀼트(speech quilts)'라고 부르는 알고리즘을 이용하여 언어 조각들을 재조립하였습니다. 이를 통해 새로운 소리를 만들었습니다.

최종 스피치 퀼트의 조각이 짧을수록 원래 말의 구조를 더욱 파괴되었습니다. 실시간으로 신경 활동을 측정하기 위해, 과학자들은 연구 참가자에게 스피치 퀼트를 실행하고, 나타나는 결과를 기능적 자기공명영상장비(functional magnetic resonance imaging)로 촬영하였습니다. 스피치 퀼트가 보다 긴 분음절(segment)을 만들 때 구어를 처리하는 뇌 영역이 더 크게 반응할 것이라고 예상하였습니다.

리듬을 통합하고 관장하는 두뇌 영역

실험결과에 의하면, 측두엽의 상측 두구(superior temporal sulcus, STS)라는 영역이 30ms의 퀼트에 비해 480ms와 960ms에서 높은 활동성을 보였습니다. 이와 달리 언어를 관장하는 뇌의 다른 영역들은 음절의 퀼트 차이에 대해 반응하지 않았습니다. 상측 두구는 청각과 감각 정보를 통합하는 역할을 한다고 알려져 있습니다. 하지만 이번 연구는 상측 두구가 말의 시간적 구조에 민감하게 반응한다는 사실을 밝힌 것입니다.

상측 두구 활성화에 대한 다른 설명가능성을 제거하기 위해, 수많은 종류의 소리를 복제하여 실험에 사용하였습니다. 주파수는 같지만 리듬이 없는 소리, 음 높낮이를 모두 제거한 소리, 그리고 자연에서 얻은 소리를 실험에 사용하였습니다. 연구진은 이러한 소리로도 퀼트를 만들고, 30ms에서 960ms로 다시 조립하였습니다. 놀랍게도 구어가 아닌 조작한 소리를 들려주었을 때에는 상측 두구는 반응하지 않았습니다.