인지 과학
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1. 개요
인지 과학은 인간의 지능과 인지 과정을 연구하는 학문으로, 철학, 심리학, 언어학, 컴퓨터 과학, 신경 과학 등 다양한 분야의 지식을 융합하여 연구한다. 고대 그리스 철학에서 시작되어 1970년대 인지과학이라는 용어가 사용되었으며, 1980년대 이후 신경망과 연결주의가 새로운 연구 패러다임으로 부상했다. 인지 과학은 다양한 계층의 분석, 즉 계산, 표현과 알고리즘, 물리적 수준에서의 분석을 통해 정신을 이해하려 하며, 인공 지능, 주의, 언어 처리, 학습, 기억, 지각, 행동, 의식, 신체화된 인지 등 광범위한 주제를 다룬다. 연구 방법으로는 행동 실험, 뇌 이미징, 계산 모형, 신경생물학적 방법 등을 활용한다.
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| 인지 과학 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 분야 | 심리학, 신경과학, 철학, 컴퓨터 과학, 언어학, 인류학 |
| 설명 | 마음을 이해하기 위한 학제적 과학 연구 |
| 세부 정보 | |
| 목표 | 마음의 본질과 인지, 정보 처리 과정에 대한 이해 |
| 특징 | 다양한 학문 분야의 융합적 접근 |
| 관련 학문 | 언어학, 심리학, 신경과학, 철학, 컴퓨터 과학, 인류학 |
| 역사적 맥락 | |
| 주요 사건 | 인지 혁명 |
| 설명 | 행동주의 심리학에 대한 반발로 시작됨 |
| 기타 | |
| 관련 저널 | 인지 과학 저널 |
2. 역사
인지과학은 고대 그리스 철학에서부터 그 기원을 찾을 수 있으며, 데카르트, 데이비드 흄, 칸트, 스피노자, 말브랑슈, 카바니스, 라이프니츠, 존 로크 등 여러 철학자들의 사상에 영향을 받았다. 그러나 이들은 인지과학과는 다른 도구와 개념을 사용했다.
인지과학의 핵심 원칙은 단일 수준의 연구만으로는 정신과 마음에 대한 완벽한 이해를 할 수 없다는 것이다. 예를 들어 전화번호를 기억하고 나중에 이를 기억하는 과정을 온전히 이해하기 위해서는 행동 연구와 뉴런 발화 연구가 모두 필요하며, 이 두 수준이 서로 어떻게 관련되어 있는지 이해하는 것이 필수적이다. 프란시스코 바렐라는 ''신체화된 마음: 인지 과학과 인간 경험''에서 "마음에 대한 새로운 과학은 인간의 삶의 경험과 인간 경험에 내재된 변형의 가능성을 모두 포괄하도록 시야를 넓혀야 한다"고 주장했다.[23]
현대 인지과학은 1930년대와 1940년대 워렌 맥컬럭과 월터 피츠 같은 초기 인공두뇌학자들로부터 시작되었다. 이들은 정신의 조직 원리를 이해하고자 했으며, 생물학적 신경망 구조에서 영감을 받은 계산 모델인 인공 신경망의 초기 형태를 개발했다.[1] 1940년대와 1950년대에는 앨런 튜링과 존 폰 노이만 등이 계산 이론과 디지털 컴퓨터 이론을 발전시켰고, 이는 인지과학에 큰 영향을 미쳤다. 특히 현대 컴퓨터, 즉 폰 노이만 기계는 정신에 대한 비유와 탐구 도구로서 중요한 역할을 했다.[2]
최초의 인지과학 실험은 MIT 슬론 경영대학원의 J.C.R. 리클라이더에 의해 수행되었으며, 그는 컴퓨터 메모리를 인간 인지 모형으로 사용하여 실험을 진행했다.[3] 1959년 노엄 촘스키는 스키너의 저서 "언어적 행동"을 비판하며, 언어를 설명하기 위해서는 생성 문법과 같은 이론이 필요하다고 주장했다. 이는 당시 심리학계를 지배하던 행동주의 패러다임에 대한 비판이었다.[4]
'인지과학'이라는 용어는 1973년 크리스토퍼 롱게-히긴스가 라이트힐 보고서에 대한 논평에서 처음 사용했다.[5] 같은 해에 학술지 ''인지 과학''과 인지 과학 학회가 창립되었다.[6] 1982년에는 바사 칼리지가 세계 최초로 인지과학 학사 학위를 수여했다.[7]
1970년대와 1980년대 초, 마빈 민스키와 같은 연구자들은 인공 지능 연구에 주력하며 LISP 같은 언어로 컴퓨터 프로그램을 작성하여 인간의 사고 과정을 이해하려 했다. 이를 '기호적 AI'라고 한다.[8] 그러나 기호적 AI의 한계가 드러나면서, 1980년대 말과 1990년대에는 신경망과 연결주의가 새로운 연구 패러다임으로 부상했다. 제임스 맥클랜드와 데이비드 루멜하트는 마음을 계층적 네트워크로 표현되는 복잡한 연관 집합으로 특징지었다.[9] 최근에는 기호적 모델과 연결주의 모델을 결합하여 두 가지 장점을 모두 활용하려는 시도가 이루어지고 있다.[10]
1950년대 후반, 여러 분야에서 사람의 지적 활동을 정보 처리 관점에서 설명하려는 연구가 나타났다.[11] 1956년 다트머스 회의에서는 민스키, 촘스키, 브루너 등 인공 지능과 인지 심리학에 큰 영향을 미친 연구자들이 모여 인공 지능을 비롯한 여러 개념을 논의했으며, 이 회의를 인지 과학의 탄생으로 보기도 한다.[12]
최근에는 인지 신경 과학 등을 통해 신경 과학과의 접근이 이루어지고 있다.[13]
3. 원칙
데이비드 마[24]는 사람이 눈으로 보는 것을 정보 처리 시스템으로 비유하고 이러한 시스템을 이해하기 위한 3단계 분석 방법(Marr's Tri-Level Hypothesis)을 제시하였다.단계 설명 계산 계층 (Computational level) 시스템이 해결하고자 하는 목적을 정의한다. 표현과 알고리즘 계층 (Algorithmic/representational level) 목적 달성을 위해 시스템이 어떻게 동작하는지 분석한다. 입력과 출력을 위해 어떤 표현을 사용하고, 어떤 과정을 통해 입력을 출력으로 처리하는지 분석한다. 물리적 계층 (Physical level) 시스템의 물리적 구현 (생물적 비전인 경우, 어떤 신경 구조와 뉴런 활동이 그 비전 시스템을 구현하는지)을 나타낸다.
인지과학은 심리학, 신경과학, 언어학, 철학, 컴퓨터과학, 인류학, 사회학, 생물학 등 다양한 학문 분야와 연계된 학문이다.[25][26] 인지과학은 객관주의적 관점과 현실주의적인 관점을 지니며, 시뮬레이션이나 모형화 같은 과학적 방법을 활용한다. 일부 연구자들은 인지과학을 단일 학문 분야로 인정하기를 꺼려 “인지 과학 학문들 (Cognitive Sciences)” 식으로 부르기도 한다.[25][26]
많은 인지과학자들은 정신에 대해서 기능주의적 관점을 가지고 있다. 이는 시스템이 어떤 정신 상태를 위하여 특정 기능을 수행하면, 그 시스템이 그 정신 상태에 있다고 여기는 것을 의미한다.
인지 과학에 직접적으로 관련된 언어학은 심리언어학이라고 불린다. 심리언어학은 자연 언어를 획득하고, 이해하고, 생성하고, 운용하는지에 대한 연구를 포함하며, 심리학적 방법을 통해 언어 획득과 이해의 모델에 대한 가설 검증이 이루어진다.
"인지 과학"에서 "인지"라는 용어는 레이코프와 존슨(1999)에 따르면, "정확한 용어로 연구될 수 있는 모든 종류의 정신 작용 또는 구조"를 의미한다.[27] 옥스포드 영어 사전(OED)에 따르면 "인지"라는 단어는 대략 "지식의 행위나 과정과 관련된" 것을 의미하며,[27] 1586년의 기록에서는 이 단어가 플라톤의 지식 이론에 대한 논의와 관련하여 사용되었다.[27]
3. 1. 다양한 계층의 분석 (Levels of analysis)
인지과학의 핵심 원칙은 단일 수준의 연구만으로는 정신과 마음에 대한 완벽한 이해를 할 수 없다는 것이다. 예를 들어, 전화번호를 외우고 나중에 이를 기억하는 문제를 생각해 보자. 이 과정을 이해하는 한 가지 방법은 직접 관찰을 통해 행동을 연구하는 것이다. 어떤 사람에게 전화번호를 제시하고 잠시 후 기억해 내도록 요청한 다음, 응답의 정확도를 측정할 수 있다. 인지 능력을 측정하는 또 다른 방법은 어떤 사람이 전화번호를 기억하려고 할 때 개별 뉴런의 발화를 연구하는 것이다. 이러한 실험만으로는 전화번호를 기억하는 과정이 어떻게 작동하는지 완전히 설명할 수 없다. 따라서 이 두 수준이 서로 어떻게 관련되어 있는지 이해하는 것이 필수적이다. 프란시스코 바렐라는 그의 저서 ''신체화된 마음: 인지 과학과 인간 경험''에서 "마음에 대한 새로운 과학은 인간의 삶의 경험과 인간 경험에 내재된 변형의 가능성을 모두 포괄하도록 시야를 넓혀야 한다"고 주장한다.[23]
영국의 신경과학자이자 심리학자인 데이비드 마[24]는 사람이 눈으로 보는 것을 정보 처리 시스템으로 비유하고 이러한 시스템의 이해를 위하여 3단계 분석 방법(Marr's Tri-Level Hypothesis)을 제시하였다.
| 단계 | 설명 |
|---|---|
| 계산 계층 (Computational level) | 시스템이 해결하고자 또는 극복하고자 하는 목적을 정의한다. |
| 표현과 알고리즘 계층 (Algorithmic/representational level) | 목적 달성을 위해 시스템이 어떻게 동작하는지 분석한다. 입력과 출력을 위해 어떤 표현을 사용하고, 어떤 과정을 통해 입력을 출력으로 처리하는지 분석한다. |
| 물리적 계층 (Physical level) | 시스템의 물리적 구현 (생물적 비전인 경우, 어떤 신경 구조와 뉴런 활동이 그 비전 시스템을 구현하는지)을 나타낸다. |
3. 2. 다양한 학문과의 연계 (Interdisciplinary nature)
인지과학은 심리학, 신경과학, 언어학, 철학, 컴퓨터과학, 인류학, 사회학, 생물학 등 다양한 학문 분야와 연계된 학문이다.[25][26] 인지과학은 다른 과학 분야와 마찬가지로 객관주의적 관점과 현실주의적인 관점을 지닌다. 이 분야는 보통 다른 자연 과학과 마찬가지로 시뮬레이션이나 모형화 같은 과학적 방법을 활용하고, 종종 모형을 통한 결과를 인간의 행동 특성과 비교하기도 한다. 일부 연구자들은 인지과학을 단일 학문 분야로 인정하기를 꺼려하여 “인지 과학 학문들 (Cognitive Sciences)” 식으로 부르기도 한다.[25][26]스스로를 인지과학자라고 생각하는 많은 사람들은 정신에 대해서 기능주의적 관점, 즉, 정신 상태를 기능적으로 구분하는 관점을 지니고 있다. 이는 시스템이 어떤 정신 상태를 위하여 특정 기능을 수행하면, 그 시스템이 그 정신 상태에 있다고 여기는 것을 의미한다. 어떤 기능주의 관점에 따르면, 인간 외의 다른 동물, 외계 생명체 또는 고등 컴퓨터가 원칙적으로 정신 상태를 지닐 수 있다는 것이다.
인지 과학에 직접적으로 관련된 언어학은 심리언어학이라고 불린다. 심리언어학은 언어학이 다루는 다양한 주제를 바탕으로, 실제로 우리가 어떻게 자연 언어를 획득하고, 이해하고, 생성하고, 운용하는지에 대한 연구를 포함하며, 심리학적 방법을 통해 언어 획득과 이해의 모델에 대한 가설 검증이 이루어진다. 한편, 언어학도 이 영향을 받아, 기존의 "논리적으로 엄밀한" 언어학에 "보다 자연스러운 우리의 언어 운용에 가까운 언어 모델 구축"이라는 주제의 중요성을 제시하였다.
3. 3. ''인지'' 과학: 용어
"인지 과학"에서 "인지"라는 용어는 "정확한 용어로 연구될 수 있는 모든 종류의 정신 작용 또는 구조"를 의미한다(레이코프와 존슨, 1999).[27] 이러한 개념은 매우 광범위해서, 분석 철학의 일부 전통에서 사용되는 "인지"(형식적 규칙과 진리 조건 의미론에만 관련된)와 혼동해서는 안 된다.[27]옥스포드 영어 사전(OED)에 따르면 "''인지''"라는 단어는 대략 "지식의 행위나 과정과 관련된" 것을 의미한다.[27] 1586년의 기록에서는 이 단어가 플라톤의 지식 이론에 대한 논의와 관련하여 사용되었음을 보여준다.[27] 그러나 대부분의 인지 과학자들은 자신들의 분야가 플라톤이 추구했던 것만큼 확실한 지식에 대한 연구라고 생각하지는 않을 것이다.[27]
4. 주요 연구 분야
인지 과학은 마음에 대한 다양한 주제를 다루는 광범위한 분야이다. 고전적 인지주의는 사회적, 문화적 요인, 감정, 의식 등을 경시했지만, 행동주의가 쇠퇴하면서 이러한 요소들이 다시 연구되기 시작했다. 상황적이고 신체 인지 이론은 인지에서 환경과 신체의 역할을 강조한다.[28]
다음은 인지 과학의 주요 연구 분야 중 일부이다.
- '''주의''': 특정 정보에 집중하는 능력이다. 양분 청취 실험에서처럼, 인간은 한 번에 한 가지 정보에만 집중할 수 있다.[29]
- '''지식과 언어 처리''': 언어를 배우고 이해하는 능력은 매우 복잡하다. 언어학은 언어 처리 과정을 철자법, 음성학, 음운론 등으로 나누어 연구한다.[44] 심리언어학은 언어학의 주제를 바탕으로, 자연 언어를 획득하고, 이해하고, 생성하는 과정을 연구한다.[45]
- '''학습과 성장''': 유아는 지식이 거의 없지만, 언어 사용, 걷기, 사람 및 사물 인식과 같은 능력을 빠르게 습득한다. 인지 발달 연구는 이러한 과정이 선천적인지, 학습되는지에 대한 질문을 던진다. 스티븐 핑커는 언어 습득에 필요한 특정 정보가 유전자에 포함되어 있다고 주장하는 반면,[46] 다른 학자들은 경험으로만 학습될 수 있다고 주장한다.
- '''기억''': 정보를 저장하고 상기하는 기능이다. 장기기억과 단기기억, 서술 기억과 절차적 기억으로 나뉜다. 인지과학은 기억과 인지 과정 간의 상호 관계를 연구한다.[1]
- '''지각과 행동''': 감각을 통해 정보를 받아들이고 처리하는 능력이다. 시각과 청각이 주요 감각이며, 착시는 시각 지각 연구의 도구로 사용된다. 네커 큐브는 양안정 지각의 예시이다. 촉각 지각, 후각, 미각 자극에 대한 연구 역시 지각의 영역에 속한다. 행동은 인간의 운동 반응을 통해 이루어지며, 공간 계획, 언어 생성 등이 포함된다.
- '''의식''': 자기 안에서 경험을 자각하는 것이다. 마음이 자아를 경험하는 능력이다.
- '''신체화된 인지''': 인지가 신체와 환경의 영향을 받는다는 점을 강조한다. 신경 과정뿐만 아니라 자세, 운동 제어, 고유 수용 감각 등 다양한 신체 과정이 포함된다.[34] 4E 인지는 뇌-신체-환경 상호작용에 대한 광범위한 관점을 제시한다.[38][39]
4. 1. 인공 지능 (Artificial Intelligence)
인공지능(AI, Artificial intelligence)은 기계의 인지적 현상을 다루는 학문이다. 인공지능의 목적은 사람의 지적 특징을 컴퓨터에 구현하는 것이다. 컴퓨터는 인지 현상을 연구하는 데 광범위하게 사용되는데, “계산 모형 (Computational modelling)”은 시뮬레이션을 사용하여 사람의 지능이 어떻게 구성되어 있는지를 연구한다.[28]정신이 작고 개별적으로 아주 미미한 요소들(즉, 뉴런들)의 광대한 배열로서, 또는 기호, 도식, 기획, 규칙 등과 같은 상위 계층 구조의 집합으로 가장 잘 보일 수 있다는 것에 대해 일부 논란이 있다. 전자의 관점은 연결주의를 사용하여 마음을 연구하는 반면, 후자는 기호적 인공지능을 강조한다. 이 문제를 보는 한 가지 방법은 인간의 뇌를 구성하는 뉴런을 정확하게 시뮬레이션하지 않고 컴퓨터에서 인간의 뇌를 정확하게 시뮬레이션하는 것이 가능한지 여부이다.
1950년대 후반, 여러 분야에서 동시다발적으로 사람의 지적 활동을 정보 처리의 관점에서 해명하려는 연구가 나타났다. 특히 1956년에 개최된 다트머스 회의에서는 민스키, 촘스키, 브루너 등 이후 인공 지능 연구와 인지 심리학에 큰 영향을 미친 연구자들이 참석하여 인공 지능을 비롯한 여러 중요한 개념이 논의되었다. 이 회의를 인지 과학의 발상으로 보는 시각도 많다.
4. 2. 주의 (Attention)
주의 집중은 중요한 정보를 선택하는 것이다. 인간의 마음은 수백만 개의 자극에 휩싸이며, 이 정보 중 어떤 것을 처리할지 결정하는 방법을 가지고 있어야 한다. 주의 집중은 때때로 스포트라이트와 같이, 특정 정보 집합에만 빛을 비출 수 있다는 의미로 여겨진다.[29] 이러한 비유를 뒷받침하는 실험으로는 양분 청취 과제(Cherry, 1957)와 부주의 맹시 연구(Mack and Rock, 1998)가 있다. 양분 청취 과제에서, 피험자는 각각의 귀에 다른 두 개의 메시지를 받고, 그 중 하나의 메시지에만 집중하도록 지시받는다. 실험이 끝나고 주의받지 못한 메시지의 내용에 대해 질문을 받으면, 피험자는 이를 보고할 수 없다.[29]주의 집중이라는 심리적 구성은 정의에 약간의 의미론적 모호성이 있기 때문에 의향성 개념과 혼동되기도 한다. 주의 집중에 대한 실험 연구 초기에, 빌헬름 분트는 이 용어를 "의식 내용의 좁은 영역의 명확한 지각에 작용하는 정신적 과정"으로 정의했다. 그의 실험은 1/10초 동안 3-6개의 문자로 주의 집중의 공간적, 시간적 한계를 보여주었다.[29] 이 개념은 수백 년 동안의 연구를 통해 원래 의미의 틀 내에서 발전했기 때문에, 주의 집중의 정의는 이 용어에 처음 귀속된 주요 특징을 설명할 때의 의미를 반영할 것이다. 즉, 시간의 흐름에 따라 지속되는 사고를 통제하는 과정이다.[30] 의향성은 마음이 어떤 것에 대한 힘인 반면, 주의 집중은 특정 현상에 대한 인지의 집중으로, 의식 내용의 좁은 영역의 명확한 지각을 높이는 데 필요하며, 이 초점을 마음 속에서 제어하는 것이 가능하다.
주의 집중 범위에 대한 지식이 인지 연구에 중요한 이유는 그것이 인지의 지적 기능, 즉 이해, 판단, 추론 및 작업 기억을 정의하기 때문이다. 주의 집중 범위의 발전은 마음이 어떻게 지각하고, 기억하고, 고려하고, 평가하여 결정을 내리는지에 의존하는 능력의 집합을 증가시킨다.[31] 라트비아의 교수 산드라 미하일로바(Sandra Mihailova)와 이고르 발 다닐로프(Igor Val Danilov) 교수에 따르면, 마음이 주의 집중 범위 내에서 동시에 유지할 수 있는 현상(또는 현상들)의 요소가 많을수록, 그 사건 내에서 더 많은 수의 합리적인 조합을 달성할 수 있으며, 이는 현상(현상들)의 특징과 특이성을 더 잘 이해할 가능성을 높인다.[32] 예를 들어, 의식의 초점 내에 있는 세 개의 항목은 여섯 개의 가능한 조합(3 팩토리얼)을 생성하고, 네 개의 항목은 24개의 조합(4 팩토리얼)을 생성한다. 여섯 개의 항목이 있는 초점의 경우, 720개의 가능한 조합(6 팩토리얼)으로 합리적인 조합의 수가 중요해진다.
4. 3. 지식과 언어 처리 (Knowledge and processing of language)
언어를 배우고 이해하는 능력은 매우 복잡한 과정이다. 언어는 생애 초기에 습득되며, 정상적인 상황의 모든 인간은 언어를 능숙하게 습득할 수 있다. 이론 언어학 분야의 주요 원동력은 그러한 방식으로 학습하기 위해 언어가 추상적으로 가져야 하는 본질을 발견하는 것이다. 뇌 자체가 언어를 처리하는 방식을 연구하는 주요 연구 질문 중 일부는 다음과 같다.[44]1. 언어 지식이 얼마나 선천적인가 아니면 학습되는가?
2. 유아가 모국어를 습득하는 것보다 성인이 제2언어를 습득하는 것이 더 어려운 이유는 무엇인가?
3. 인간은 어떻게 새로운 문장을 이해할 수 있는가?
언어 처리에 대한 연구는 음성의 음성 패턴 연구에서 단어와 전체 문장의 의미에 이르기까지 다양하다. 언어학은 종종 언어 처리를 철자법, 음성학, 음운론, 형태론, 통사론, 의미론, 화용론으로 나눈다. 언어의 많은 측면은 이러한 각 구성 요소와 구성 요소의 상호 작용을 통해 연구될 수 있다.[44]
인지 과학에서 언어 처리에 대한 연구는 언어학 분야와 밀접하게 연관되어 있다. 언어학은 전통적으로 역사, 예술 및 문학 연구를 포함한 인문학의 일부로 연구되었다. 지난 50년 동안 점점 더 많은 연구자들이 언어에 대한 지식과 사용을 인지 현상으로 연구해 왔으며, 주요 문제는 언어에 대한 지식을 어떻게 습득하고 사용할 수 있으며, 정확히 무엇으로 구성되어 있는가이다.[45] 언어학자들은 인간이 매우 복잡한 시스템에 의해 지배되는 방식으로 문장을 형성하지만, 자신의 말에 적용되는 규칙을 놀랍도록 인식하지 못한다는 것을 발견했다. 따라서 언어학자들은 그러한 규칙이 실제로 존재하는지 여부에 관계없이, 그러한 규칙이 무엇인지 결정하기 위해 간접적인 방법에 의존해야 한다. 어쨌든, 만약 언어가 실제로 규칙에 의해 지배된다면, 규칙은 어떤 의식적인 고려에도 불투명한 것처럼 보인다.
인지 과학에 직접적으로 관련된 언어학은 심리언어학이라고 불린다. 심리언어학에는 언어학이 다루는 다양한 주제를 바탕으로, 실제로 우리가 자연 언어를 획득하고, 이해하고, 생성하고, 운용하는지에 대한 연구가 이루어지고 있으며, 심리학적 방법을 통해 언어 획득과 이해의 모델에 대한 가설 검증이 이루어진다.
한편, 언어학도 이 영향을 받아, 기존의 "논리적으로 엄밀한" 언어학에 "보다 자연스러운 우리의 언어 운용에 가까운 언어 모델 구축"이라는 주제의 중요성을 제시하였다.
4. 4. 학습과 성장 (Learning and development)
유아는 지식이 거의 없는 상태로 태어나지만, 언어 사용, 걷기, 사람 및 사물 인식과 같은 능력을 빠르게 습득한다. 학습과 발달 연구는 이러한 과정이 일어나는 메커니즘을 설명하는 것을 목표로 한다.[46]인지 발달 연구의 주요 질문은 특정 능력이 얼마나 선천적인지 또는 학습되는지에 대한 것이다. 이는 종종 본성과 양육 논쟁으로 불린다. 선천주의적 관점은 특정 특징이 유기체에 선천적이며 유전적 소질에 의해 결정된다고 강조한다. 반면, 경험주의적 관점은 특정 능력이 환경으로부터 학습된다는 것을 강조한다. 아이가 정상적으로 발달하기 위해서는 유전적 입력과 환경적 입력이 모두 필요하지만, 유전 정보가 인지 발달을 ''어떻게'' 안내하는지에 대한 논쟁이 있다. 예를 들어, 언어 습득 분야에서 스티븐 핑커는 보편적인 문법 규칙을 포함하는 특정 정보가 유전자에 포함되어야 한다고 주장하는 반면,[46] 다시 생각하는 선천성의 제프리 엘만과 동료들은 핑커의 주장이 생물학적으로 비현실적이라고 주장한다. 그들은 유전자가 학습 시스템의 구조를 결정하지만, 문법 작동 방식에 대한 특정 "사실"은 경험으로만 학습될 수 있다고 주장한다.
4. 5. 기억 (Memory)
기억은 정보를 저장하고 나중에 상기하는 기능을 말한다. 기억은 종종 장기기억과 단기기억으로 구성된다고 여겨진다. 장기기억은 며칠, 몇 주, 몇 년 이상의 오랜 기간 동안 정보를 저장하는데, 장기기억이 얼마나 정보를 저장 가능한 지에 대해서는 아직 밝혀지지 않았다. 단기기억은 몇 초 또는 몇 분의 짧은 시간 동안 정보를 저장한다.기억은 또한 서술기억(declarative memory)과 절차적 기억(procedural memory)으로 나누기도 한다. 서술기억은 의미기억(semantic form)과 일화기억(episodic form)으로 다시 구분되는데, 사실과 특정 지식, 특정한 의미, 그리고 특정한 경험에 대한 기억을 말한다. 예를 들면, "미국의 첫 번째 대통령은?" 또는 "4일 전에 내가 아침에 무얼 먹었지?" 등이다. 절차적 기억은 자전거 타기와 같은 행동과 동작 순서를 기억하는 것인데, 종종 암묵적 지식 또는 기억이라고 부르기도 한다.
인지과학자들은 심리학자들과 마찬가지로 기억을 연구한다. 하지만, 기억이 인지 과정에 어떻게 관계되는지, 그리고 인지와 기억 간의 상호 관계에 대해서 더 집중한다. 예를 들어, 오래전에 잊었던 기억을 상기하기 위해서 사람이 어떤 정신적 절차를 거치는지, 그리고 어떤 것을 인식(어떤 것의 힌트를 보고 그것을 기억)하고 회상(빈칸 채우기처럼 기억을 끄집어 내는 것)하는 것의 인지적 과정이 어떻게 다른지 등을 중점적으로 다룬다.[1]
4. 6. 지각과 행동 (Perception and action)
지각은 감각을 통해 정보를 받아들이고 이를 어떤 방식으로든 처리하는 능력이다. 시각과 청각은 우리가 환경을 지각할 수 있게 해주는 두 가지 주요 감각이다. 예를 들어, 시각 지각 연구에서 다음과 같은 질문이 제기된다. (1) 우리는 어떻게 물체를 인식할 수 있는가?, (2) 비록 우리가 한 번에 작은 부분만 보더라도 왜 연속적인 시각 환경을 지각하는가? 시각 지각을 연구하는 한 가지 도구는 사람들이 착시를 어떻게 처리하는지 살펴보는 것이다. 네커 큐브의 이미지는 양안정 지각의 예시로, 큐브는 두 가지 다른 방향으로 해석될 수 있다.
촉각 지각(촉각), 후각, 미각 자극에 대한 연구 역시 지각의 영역에 속한다.
행동은 시스템의 출력과 관련하여 사용된다. 인간의 경우, 이는 운동 반응을 통해 이루어진다. 공간 계획 및 움직임, 언어 생성, 복잡한 운동 동작 모두 행동의 측면이다.
4. 7. 의식 (Consciousness)
인지 과학은 광범위한 분야이며, 인지에 대한 다양한 주제를 다룬다. 그러나 인지 과학이 마음의 본질과 작용과 관련될 수 있는 모든 주제에 대해 항상 똑같은 관심을 가져온 것은 아니다. 고전적 인지주의자들은 사회적, 문화적 요인, 신체성, 감정, 의식, 동물 인지, 비교 및 진화 심리학을 대체로 경시하거나 회피했다. 그러나 행동주의가 쇠퇴하면서, 정서 및 감정과 같은 내부 상태뿐만 아니라 인식과 은밀한 주의도 다시 접근 가능해졌다. 예를 들어, 상황적이고 신체 인지 이론은 인지에서 환경의 현재 상태뿐만 아니라 신체의 역할도 고려한다. 정보 처리에 대한 새로운 강조와 함께, 관찰 가능한 행동은 더 이상 심리학적 이론의 특징이 아니라 정신 상태의 모델링 또는 기록이 되었다.의식은 자기 안에서 경험을 자각하는 것이다. 이는 마음이 자아를 경험하거나 느끼는 능력을 갖도록 돕는다.
4. 8. 신체화된 인지 (Embodied Cognition)
신체화된 인지는 인지 과학에서 인지가 신체와 환경의 영향을 받는다는 점을 강조하는 접근 방식이다. 여기에는 신경 과정뿐만 아니라 자세, 운동 제어, 고유 수용 감각, 운동 감각[34], 심장 박동[35], 호흡[36], 창자 미생물 군집의 역할[37]과 같은 다양한 신체 과정이 포함된다. 또한 신체가 사회적, 물리적 환경과 어떻게 상호작용하는지에 대한 설명도 포함된다.4E (구체화(Embodied), 내재화(Embedded), 확장(Extended), 행동주의(Enactivism)) 인지[38][39]는 뇌-신체-환경 상호작용에 대한 광범위한 관점을 제시한다. 여기에는 인과적 내재화, 마음이 도구와 기기를 포함하도록 확장되는 방식, 사회적 상호작용, 행동 지향적 과정, 어포던스의 역할 등이 포함된다. 4E 이론은 고전적 인지주의에 가까운 이론(소위 "약한" 구체화된 인지[40])에서 확장되어[41] 때로는 급진적 구체화된 인지 과학이라고도 불리는 더 강력한 행동주의적 버전까지 다양하다.[42][43]
5. 연구 방법
인지 과학은 심리학, 신경과학, 컴퓨터 과학, 시스템 이론 등의 연구 방법을 접목하여 다중의 연구 영역을 꿰뚫는 다양한 방법들을 사용한다.
1950년대 인지 혁명으로 시작된 인지 과학은, 고대 그리스 철학 텍스트(플라톤의 ''메논''과 아리스토텔레스의 영혼에 관하여la 참조)에서 그 기원을 찾을 수 있다. 데카르트 등 근대 철학자들의 연구 또한 인지 과학의 발전에 영향을 미쳤다.
1930년대와 1940년대 사이버네틱스 학자들, 특히 워런 맥컬록과 월터 피츠는 정신 조직 원리를 이해하려 했으며, 생물학적 신경망에서 영감을 받은 계산 모델인 인공 신경망의 초기 형태를 개발했다. 1940년대와 1950년대 계산 이론과 디지털 컴퓨터의 초기 개발도 중요한 역할을 했다. 쿠르트 괴델, 앨런 튜링, 존 폰 노이만 등이 이러한 발전에 기여했으며, 현대 컴퓨터(폰 노이만 구조)는 정신의 비유이자 연구 도구로서 인지 과학에서 중심적인 역할을 하게 되었다.
MIT 슬론 경영대학원의 J.C.R. 리클라이더는 컴퓨터 메모리를 인간 인지 모델로 사용하여 인지 과학 실험을 수행한 초기 사례 중 하나이다. 1959년 노엄 촘스키는 B. F. 스키너의 ''언어 행동''에 대한 비판적인 논평을 발표하며, 언어를 설명하기 위해 생성 문법과 같은 이론이 필요하다고 주장했다.
크리스토퍼 롱게-히긴스는 1973년 라이트힐 보고서에 대한 논평에서 '인지 과학'이라는 용어를 처음 사용했다. 같은 해 ''인지 과학'' 저널과 인지 과학 학회가 창립되었고, 1979년 캘리포니아 대학교 샌디에이고에서 인지 과학 학회 창립 회의가 개최되었다. 1972년 햄프셔 칼리지는 인지 과학 학사 프로그램을 처음 시작했고, 1982년 바사 칼리지는 인지 과학 학사 학위를 수여한 세계 최초의 기관이 되었다. 1986년 캘리포니아 대학교 샌디에이고에 세계 최초의 인지 과학과가 설립되었다.
1970년대와 1980년대 초, 마빈 민스키와 같은 연구자들은 LISP와 같은 언어로 컴퓨터 프로그램을 작성하여 인간의 사고를 이해하고 인공적인 마음을 만들고자 하는 "기호적 AI" 접근 방식을 시도했다. 그러나 인간 지식을 기호적 형태로 포괄적으로 나열하는 것은 비현실적이라는 한계에 직면했다. 80년대 말과 90년대에는 신경망과 연결주의가 연구 패러다임으로 부상했다. 제임스 맥클랜드와 데이비드 루멜하트가 주창한 이 관점은 마음을 계층적 네트워크로 표현되는 복잡한 연관성으로 특징짓는다. 최근에는 기호적 모델과 연결주의 모델을 결합하여 두 가지 형태의 설명을 모두 활용하는 시도가 이루어지고 있다.
양자 계산의 발전, 특히 IBM 양자 플랫폼과 같은 양자 컴퓨터에서 양자 회로를 실행할 수 있게 되면서, 인지 모델에서 양자 역학의 요소를 사용한 연구가 가속화되고 있다.
5. 1. 행동 실험 (Behavioral experiments)
지능적 행동의 구성을 설명하기 위해서는 행동 자체를 연구해야 한다. 이러한 유형의 연구는 인지심리학과 정신물리학 연구와 밀접하게 연계되어 있다. 다양한 자극에 대한 행동적 반응을 측정함으로써, 그러한 자극이 어떻게 처리되는지에 대하여 이해할 수 있다. Lewandowski와 Strohmetz는 2009년에 심리학에서 사용하는 행동 측정 방법의 혁신적 방법에 대해서 총체적으로 검토하였는데, 행동 추적 (behavioral traces), 행동 관찰 (behavioral observations), 그리고 행동 선택 (behavioral choice) 등을 포함한다.[47] 행동 추적은 어떤 행동이 발생했다는 흔적들을 의미하는데, 그 행동의 행위자는 없는 경우이다. (예를 들면, 주차 공간의 쓰레기와 전기 계량기 검침). 행동 관찰은 행위자가 어떤 행동에 관여하는 것을 직접적으로 목격하는 것으로, 예를 들면 어떤 사람이 옆의 사람과 얼마나 가까이 앉아 있는지를 관찰하는 것이다. 행동 선택은 어떤 사람이 두 가지 이상의 옵션 중에 선택하는 것으로 예를 들면, 투표 행동, 다른 참가자에 대한 처벌 선택 등이다.- 반응 시간 (Response time). 어떤 자극의 제시와 그에 따른 반응 사이의 시간은 두 가지 인지 과정 간의 차이와 그 특성을 나타낸다. 예를 들면, 어떤 검색 작업에서 반응 시간이 항목의 개수에 따라 비례적으로 달라진다면, 검색의 인지 과정은 병렬 처리 방식 대신에 직렬 처리 방식임이 분명하다.
- 정신물리학적 반응 (Psychophysical response). 정신물리학적 실험은 인지심리학에서 오래 전부터 사용되어 왔던 심리학적 기법으로서 통상적으로 소리의 크기와 같은 어떤 물리적 성질에 대한 판단을 다룬다. 각각의 주관적 잣대 간 상관성은 실제 물리적 측정값과 대비하여 인지적 또는 감각적 편향을 나타낸다. 예를 들면
- * 색깔, 음색, 질감 등에 대한 동일성 판단.
- * 색깔, 음색, 질감 등에 대한 임계치 차이
- 시선 추적 (Eye Tracking). 이 방법은 다양한 인지 과정 연구에 활용되는 데 주로 시각적 지각과 언어 처리에 활용된다. 눈의 고시점은 개인의 주목점에 연결되어 있다. 따라서, 눈의 움직임을 모니터링함으로써 특정 시점에 무슨 정보가 처리되고 있는지를 연구할 수 있다. 안구 추적을 통해서 우리는 지극히 짧은 시간 동안에서의 인지 과정을 연구할 수 있다. 눈의 움직임은 어떤 작업 동안 일어나는 결정을 바로 나타내는데, 그를 통해서 우리는 그러한 결정들이 어떻게 진행되는지에 대하여 간파할 수 있다.[48]
5. 2. 뇌 이미징 (Brain imaging)
뇌 이미징은 다양한 과제를 수행하는 동안 뇌 내의 활동을 분석하는 것을 포함한다. 이를 통해 행동과 뇌 기능을 연결하여 정보 처리 방식을 이해하는 데 도움을 준다. 다양한 유형의 영상 기술은 시간적(시간 기반) 및 공간적(위치 기반) 해상도가 다르다. 뇌 이미징은 종종 인지 신경과학에서 사용된다.
- 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영술(SPECT) 및 양전자 방출 단층 촬영술(PET): SPECT와 PET는 방사성 동위원소를 사용하며, 이는 피험자의 혈류에 주입되어 뇌에 흡수된다. 뇌의 어떤 영역이 방사성 동위원소를 흡수하는지 관찰함으로써 뇌의 어떤 영역이 다른 영역보다 더 활동적인지 알 수 있다. PET는 기능적 자기 공명 영상(fMRI)와 유사한 공간 해상도를 가지지만, 시간 해상도가 매우 떨어진다.
- 뇌파 검사(EEG): EEG는 피험자의 두피에 일련의 전극을 부착하여 대규모의 피질 뉴런 집단에 의해 생성되는 전기장을 측정한다. 이 기술은 시간 해상도가 매우 높지만, 공간 해상도는 상대적으로 떨어진다.
- 기능적 자기 공명 영상(fMRI): fMRI는 뇌의 다른 부분으로 흐르는 산소 공급 혈액의 상대적 양을 측정한다. 특정 영역에 더 많은 산소 공급 혈액이 있다는 것은 해당 뇌 부분의 신경 활동이 증가한다는 것과 관련이 있는 것으로 가정한다. 이를 통해 뇌의 다른 영역 내에서 특정 기능을 국소화할 수 있다. fMRI는 중간 정도의 공간 및 시간 해상도를 갖는다.
- 광학 영상: 이 기술은 적외선 송신기와 수신기를 사용하여 뇌의 다른 영역 근처의 혈액에 의한 빛 반사량을 측정한다. 산소화된 혈액과 산소가 제거된 혈액은 빛을 다른 양으로 반사하기 때문에, 우리는 어떤 영역이 더 활동적인지(즉, 산소화된 혈액이 더 많은 영역)를 연구할 수 있다. 광학 영상은 중간 정도의 시간 해상도를 가지지만, 공간 해상도는 떨어진다. 또한 매우 안전하며 유아의 뇌를 연구하는 데 사용할 수 있다는 장점이 있다.
- 뇌자도(MEG): MEG는 피질 활동의 결과로 발생하는 자기장을 측정한다. 이는 뇌파 검사와 유사하지만, MEG가 측정하는 자기장이 뇌파 검사에서 측정하는 전기적 활동만큼 두피, 수막 등에 의해 흐려지거나 감쇠되지 않으므로 공간 해상도가 향상되었다는 차이점이 있다. MEG는 초전도 양자 간섭 장치(SQUID) 센서를 사용하여 미세한 자기장을 감지한다.
5. 3. 계산 모형 (Computational modeling)
계산 모형은 어떤 문제를 수학적이고 논리적인 형태로 표현한다. 컴퓨터 모델을 사용하여 지능의 여러 특정한 속성과 일반적인 속성에 대한 시뮬레이션과 실험적인 규명을 수행한다. 계산 모형을 통해서 우리는 특정한 인지 현상의 기능적 조직을 이해할 수 있는데, 인지 모형에 대해서는 두 가지 기본적인 접근이 있다. 첫 번째는 지능의 추상화된 정신적 기능들에 중점을 두는 데 기호(symbol)를 활용한다. 그리고 두 번째는 소위 하위기호(sub-symbol)이라고 하는, 두뇌 신경의 연합적 속성들을 따른다.- 기호 모형(Symbolic model)은 지식 기반 시스템의 기술들을 사용하는 컴퓨터 과학의 전형적인 예에서 발전된 것으로, "Good Old-Fashioned Artificial Intelligence" (GOFAI)와 같은 철학적 관점에서도 기인하였다. 인지 연구자들이 최초로 개발하였고 나중에 전문가 시스템을 위한 정보 공학에 사용되었다. 1990년대 초반, “personoids”와 같이 사람과 유사한 기능적 인지 모형 탐구를 위하여, “systemics”로 일반화되었고, 동시에 SOAR 환경으로 개발되었다. 최근에, 특히 인지적 의사 결정의 맥락에서, 기호 인지 모형은 사회와 조직의 인지를 포함한 사회적 인지 접근 (socio-cognitive approach)으로 확대되었다.
- 하위기호 모형(Sub-symbolic model)은 연결주의 모형/신경망 모형을 포함하는데, 연결주의에 따르면 정신/뇌는 단순한 노드로 구성되어 있고 그 단순 노드들 간의 연결 여부와 그 방식에 따라 시스템으로서의 능력이 표출된다는 것이다. 신경망은 이러한 접근의 교과서적인 구현이다. 이러한 모형이 생물학적 현실에 대하여 시스템적 작동으로 표현할 수는 있으나, 비록 단순한 방식의 연결이더라도 연결들의 복합적 구성 체계는 너무 복잡하여 모형 자체를 쉽게 설명하기 어렵다는 비판이 있다.
인기를 얻고 있는 다른 접근들은 동적 시스템 이론과 또한 기호 모형과 연결주의 모형을 서로 부합시키는 기법 (신경 기호 통합)이다. 종종 기계 학습에서 시작되었다고 하는 베이지안 모형 (Baysian models) 또한 인기를 끌고 있다.
위의 모든 접근은, 인조/추상 지능의 통합적 계산 모형 형태로 일반화되어가는 데, 개인 그리고 사회/조직적 의사 결정 및 추론 과정을 설명하고 향상시키는 데 적용된다.
5. 4. 신경생물학 방법 (Neurobiological methods)
신경과학과 신경심리학에서 직접 차용한 연구 방법은 지능의 여러 측면을 이해하는 데 도움을 준다. 이러한 방법들을 통해 지능적 행동이 물리적 시스템에 어떻게 구현되는지 알 수 있다.- 단일 뉴런 기록
- 직접적인 뇌 자극
- 동물 모델
- 사후 연구
6. 인지 아키텍처
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