# 뇌도 AI처럼 모듈을 재사용합니다, 생쥐 전전두피질 실험

> MIT·프린스턴 연구진이 생쥐 전전두피질 뉴런 515개를 기록해, 같은 기억 회로가 소리의 기억과 행동 계획을 번갈아 담는 것을 확인했습니다. 데이터로 제약한 RNN 실험까지 정리합니다.

- 출처 사이트: 뇌피셜 (https://aifficial.net/brain/posts/reusable-modules-mouse-prefrontal/)
- 발행: 2026-09-04
- 카테고리: 뇌와 AI · 태그: 작업 기억, 전전두피질, 순환신경망, 모듈성, 논문

## 핵심 답변

MIT 피코워 연구소와 프린스턴대 연구진은 두 소리가 같은지 판단해 잠시 뒤 보고하는 과제를 생쥐에게 시키며 내측 전전두피질 515개와 후두정피질 241개 뉴런을 기록했습니다. 전전두피질의 기억 유지 활동 공간은 첫 지연 동안 소리의 기억을, 두 번째 지연 동안 앞으로 할 행동의 계획을 같은 회로로 담았고, 뉴런들은 자극 처리와 기억 유지를 맡는 별개의 군집으로 나뉘었습니다. 실제 활동을 흉내 내도록 훈련한 순환신경망에서 각 군집을 끄자 그 군집이 맡은 계산만 무너졌습니다.

## 요약

- 생쥐는 0.3초짜리 고음(14 kHz) 또는 저음(3 kHz) 두 개를 1초 간격으로 듣고, 다시 1초 뒤에 같으면 핥고 다르면 참는 과제를 수행했습니다.
- 내측 전전두피질의 기억 유지 활동 공간은 첫 지연에서는 소리 기억을, 두 번째 지연에서는 행동 계획을 담았습니다. 내용은 달라도 회로는 같았습니다.
- 군집 분석에서 전전두피질 뉴런은 4개, 후두정피질 뉴런은 3개의 기능 군집으로 나뉘었고, 자극 군집과 기억 군집이 따로 있었습니다.
- 뉴런 활동을 흉내 내도록 훈련한 RNN에서 자극 군집을 자극 구간에, 기억 군집을 지연 구간에 끄면 과제가 무너졌고, 활동하지 않는 구간에 끄면 영향이 없었습니다.

## 핵심 사실

| 항목 | 값 |
|---|---|
| 학술지 | Nature Neuroscience (2026-08-17 온라인 공개, 프리프린트는 2025-08-13 bioRxiv) |
| 연구 기관 | MIT 피코워 학습기억연구소, 프린스턴 신경과학연구소 |
| 과제 | 지연 보고형 지연 표본 대응(DMS-dr) (0.3초 순음 두 개, 지연 1초 + 1초) |
| 행동 성적 | 적중률 0.82, 오경보율 0.30 (5마리 53회기, 평균) |
| 기록 뉴런 | 내측 전전두피질 515개, 후두정피질 241개 (뉴로픽셀 탐침, 각각 6마리·4마리) |
| 기능 군집 | 전전두피질 4개, 후두정피질 3개 (가우시안 혼합 모형, BIC 기준) |


## 무슨 연구인가요

인공신경망 연구에서는 작은 기능 모듈을 조합해 복잡한 과제를 푸는 방식이 오래전부터 제안됐습니다. 그런 재사용 가능한 모듈이 실제 뇌에도 있는지는 확인되지 않았습니다. MIT 피코워 학습기억연구소의 므리강카 수르 연구실과 프린스턴대 티모시 부시먼 연구실은 이 질문을 생쥐 실험으로 다뤄 2026년 8월 17일 Nature Neuroscience에 발표했습니다. 

과제는 지연 보고형 지연 표본 대응 과제입니다. 물을 제한한 머리 고정 생쥐가 0.3초짜리 고음(14 kHz) 또는 저음(3 kHz)을 듣고, 1초 뒤 두 번째 소리를 들은 다음, 다시 1초를 기다렸다가 두 소리가 같으면 핥아 보상을 받고 다르면 참아야 합니다. 5마리 53회기에서 적중률은 평균 0.82, 오경보율은 0.30이었습니다.  연구진은 뉴로픽셀 탐침으로 내측 전전두피질 뉴런 515개(6마리)와 후두정피질 뉴런 241개(4마리)를 동시에 기록했습니다. 



## 무엇을 찾았나요

핵심은 내측 전전두피질의 기억 유지 활동 공간입니다. 첫 지연 동안 이 공간은 방금 들은 소리의 기억을 담았고, 두 번째 지연 동안에는 곧 할 행동의 계획을 담았습니다. 내용은 달라도 같은 회로가 쓰였고, 이 공유 정도가 클수록 과제 성적이 좋았습니다.  제1저자 오사코 유마 연구원은 "뇌는 정보 종류마다 별도의 뉴런 집단을 두지 않고, 같은 뉴런 집단으로 같은 계산을 다른 종류의 정보에 수행한다"고 설명했습니다. 



뉴런 하나하나의 반응을 군집화하자 전전두피질은 4개, 후두정피질은 3개의 기능 군집으로 나뉘었습니다. 자극 처리를 맡는 군집과 기억 유지를 맡는 군집이 따로 있었고, 후두정피질은 소리 기억만 담은 반면 전전두피질의 한 군집은 소리 기억에서 행동 계획으로 내용을 바꿔 가며 유지했습니다. 


<div>

- 기능 군집 3개
- 소리 자극의 기억을 전담
- 소리 1과 소리 2를 같은 감각 공간에서 처리

</div>
<div>

- 기능 군집 4개
- 기억 군집이 소리 기억 → 행동 계획으로 내용 전환
- 공유 정도가 클수록 과제 성적 향상

</div>


## 신경망으로 인과를 시험했습니다

연구진은 전전두피질의 자극 군집과 기억 군집 활동을 흉내 내도록 유닛 77개와 312개짜리 순환신경망을 훈련한 뒤, 특정 군집을 특정 시점에 껐습니다. 자극 군집은 자극 구간에, 기억 군집은 지연 후반에 끌 때만 과제가 무너졌고, 해당 군집이 활동하지 않는 구간에 끄면 영향이 없었습니다. 자극 군집에서 기억 군집으로 가는 연결을 자극 구간에 끊어도 수행이 나빠졌습니다.  부시먼 교수는 "작업 기억을 유지하는 회로에 감각 정보든 운동 정보든 넣어 두고 현재 과제에 따라 유연하게 재사용한다. 새 과제를 배울 때마다 정보를 담아 둘 회로를 새로 만들 필요가 없다는 뜻"이라고 말했습니다. 



- 군집을 끄는 실험은 신경망 안에서만 이뤄졌습니다. 저자들은 홀로그램 자극 같은 시점 특이적 조작으로 실제 뇌에서 예측을 검증하는 일을 후속 과제로 남겼습니다. 
- 이 군집이 학습으로 생기는지 원래 있는지는 열린 문제라고 밝혔습니다. 기억 유지 뉴런이 학습 과정에서 나타나 안정화된다는 이전 보고를 근거로, 뇌가 기존 모듈을 학습에 끌어다 쓸 가능성을 언급했습니다. 
- 많은 뇌 영역에서 비모듈적 조직이 보고된 것과 다른 결과인데, 저자들은 이 과제가 입력 조합에 따라 출력을 바꿔야 하는 유연한 대응을 요구하기 때문일 수 있다고 해석했습니다. 





이 논문은 "뇌가 AI를 닮았다"는 이야기가 아니라, 인공신경망 이론이 먼저 제안한 조직 원리를 뇌에서 찾아본 사례입니다. 흥미로운 대목은 모듈이 있어도 모듈 사이 연결을 끊으면 무너진다는 결과입니다. 재사용 가능한 부품과 그 부품을 잇는 순환 배선이 함께 있어야 유연함이 나온다는 점은, 모듈형 AI 설계를 고민하는 엔지니어에게도 시사가 있습니다. 다만 실제 뇌에서의 군집 억제 실험이 아직 없으므로, 모듈성의 인과는 신경망 수준의 가설로 읽는 것이 맞습니다.




## 자주 묻는 질문

**Q. 모듈을 재사용한다는 것이 무슨 뜻인가요?**

정보의 종류마다 뉴런 집단을 따로 두는 것이 아니라, 같은 뉴런 집단이 같은 계산을 다른 내용에 적용한다는 뜻입니다. 이 실험에서 전전두피질의 기억 유지 회로는 첫 지연에서 방금 들은 소리를, 두 번째 지연에서 곧 할 행동을 담았습니다.

**Q. 인공신경망은 어떤 역할을 했나요?**

전전두피질의 자극 군집과 기억 군집 활동을 흉내 내도록 유닛 77개와 312개짜리 RNN을 훈련한 뒤, 특정 군집을 특정 시점에 껐습니다. 자극 군집은 자극 구간에, 기억 군집은 지연 후반에 끌 때만 과제가 무너져, 각 군집이 특정 계산을 맡는다는 해석을 뒷받침했습니다.

**Q. 실제 뇌에서 군집을 끄면 같은 결과가 나오나요?**

이 논문의 군집 억제는 신경망 안에서만 이뤄졌습니다. 저자들은 홀로그램 자극 같은 시점 특이적 조작으로 실제 뇌에서 예측을 검증하는 것을 후속 과제로 남겼습니다.

## 출처

1. [Osako et al., Reusable modular architecture enables flexible cognitive operations in the mouse brain and artificial recurrent networks, Nature Neuroscience (2026)](https://www.nature.com/articles/s41593-026-02410-0) (paper)
2. [Flexible brain circuits can switch between different tasks (MIT Picower Institute, 2026-08-17)](https://picower.mit.edu/news/flexible-brain-circuits-can-switch-between-different-tasks) (official)
3. [동일 논문 프리프린트 전문 (bioRxiv, 2025-08-13)](https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.08.13.670128v1) (paper)

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