인지과학(認知科學, 영어: cognitive science)은 인간의 마음과 동물 및 인공적 지적 시스템(artificial intelligent systems)에서 정보처리가 어떻게 일어나는가를 연구하는 학문이다. 다르게 표현한다면 인지과학은 인간의 마음 (뇌의 작동 및 몸의 움직임의 제어 포함)의 과정 및 내용과, 동물 및 인공적 지적 시스템에서의 지능(Intelligence)의 정보적 표상(표현)과 그 작동 과정을 연구하는 종합적, 다학문적 과학이다.
인지과학은 심리학, 철학, 신경과학, 언어학, 인류학, 전산학, 학습과학, 교육학, 사회학, 생물학, 로보틱스 등의 여러 학문과 연관되어 있다. 인지과학이라는 말은 크리스토퍼 롱게히긴스가 1973년에 처음 사용하였다. 이후 1976년에 세계 최초로 학술지 <인지과학〉(Cognitive Science)이 미국에서 창간되고 1979년에 미국에서 인지과학 학회(Cognitive Science Society)가 출발하였다. 한국의 인지과학회는 1987년에 출발되었다. 2010년대에 들어서면서 [마음 = 뇌 + 몸 + 환경]의 통합체로 개념화하는 제3의 인지과학 패러다임의 경향이 강해 지고 있다.
원칙[편집]
다양한 계층의 분석 (Levels of analysis)[편집]
인지과학의 핵심 원칙은 단일 수준의 연구만으로는 정신과 마음에 대한 완벽한 이해를 할 수 없다는 것이다. 예를 들어, 전화번호를 외우고 나중에 이를 기억하는 문제를 생각해보자. 이 프로세스를 이해하기 위한 하나의 방법은, 직접 관찰을 통해서 그 행동을 이해하는 것이다. 즉, 어떤 사람에게 하나의 전화번호를 보여주고, 잠시 후에 그 전화번호를 기억해내도록 한다. 그리고 그 기억의 정확도를 측정하는 것이다. 다른 방법은, 그 전화번호를 기억하는 동안 사람의 뉴런들이 어떻게 동작하는지를 연구하는 것이다. 이 중의 어느 방법으로도 전화번호 기억하기의 과정을 완벽하게 설명할 수는 없다. 심지어 기술을 활용해서 뇌 속의 어떤 뉴런들이 작동하고 있는 지 실시간으로 포착할 수 있고, 또 각 뉴런들의 작동 (firing) 시점을 알 수 있다고 하더라도, 여전히 뉴런들의 특정한 작동들을 관찰된 행동으로 바로 해석할 수는 없다. 즉, 뉴런들의 특정한 작동들 만으로 어떤 행동이 일어나고 있다고 단정지을 수는 없다. 따라서 이러한 두 가지 다른 수준의 분석이 서로에게 각각 어떻게 연관되는 지를 이해하는 것이 필요하다. 체화된 정신: 인지과학과 인간 경험(The Embodied Mind: Cognitive Science and Human Experience)에 따르면 “정신을 연구하는 새로운 과학들은 그 연구 범위를 실제의 인간 경험과 그 경험에 내재된 변형 가능성까지 확대해야 한다”고 한다. 이는 그 프로세스의 기능 단계에서 설명될 수 있다. 뇌에서 발생하는 어떤 과정들이 특정 행동을 일으키는 지를 이해하기 위해서는 어떤 현상에 대하여 다양한 계층에서의 분석이 필요하다는 것이다. 영국의 신경과학자 이자 심리학자인 데이비드 마아(David Marr) 사람이 눈으로 보는 것을 정보 처리 시스템으로 비유하고 이러한 시스템의 이해를 위하여 3단계 분석 방법(Marr's Tri-Level Hypothesis)을 제시하였다.
- 계산 계층 (Computational level): 이 시스템이 해결하고자 또는 극복하고자 하는 목적을 정의;
- 표현과 알고리즘 계층 (Algorithmic/representational level): 목적 달성을 위해서 시스템이 어떻게 동작하는 지를 분석. 입력과 출력을 위해서 어떤 표현을 사용하고, 어떤 과정을 통해서 입력을 출력으로 처리하는 지
- 물리적 계층 (Physical level): 시스템의 물리적 구현 (생물적 비전인 경우, 어떤 신경 구조와 뉴런 활동이 그 비전 시스템을 구현하는 지)
다양한 학문과의 연계(Interdisciplinary nature)[편집]
인지과학은 심리학, 신경과학, 언어학, 철학, 컴퓨터과학, 인류학, 사회학, 생물학 등의 다양한 학문 분야와 연계된 학문이다. 인지과학은 다른 과학 분야와 마찬가지로 객관주의 관점 (View the world outside the mind), 그리고 현실주의적인(Observer-independent existence) 관점을 지닌다. 이 분야는 보통 다른 자연 과학과 마찬가지로 시뮬레이션이나 모형화(modeling) 같은 과학적 방법을 활용하고, 종종 모형을 통한 결과를 인간의 행동 특성과 비교하기도 한다. 어떤 사람들은 인지과학이 단일한 학문 분야로 인정하기를 꺼려하여 “인지 과학 학문들 (Cognitive Sciences)” 식으로 부르곤 한다.
스스로를 인지과학자라고 생각하는 많은 사람들은, 모든 사람들은 아니지만, 정신에 대해서 기능주의자(functionalist) 관점, 즉, 정신 상태를 기능적으로 구분하는 관점을 지니고 있다. 시스템이 어떤 정신 상태 (mental state)를 위하여 특정 기능을 수행하면, 그 시스템이 그 정신 상태에 있다고 여기는 것이다. 예를 들면, 사람이 누군가를 사랑하는 감정이 생겼을 때 뇌의 뉴런이 어떤 기능을 수행한다면, 뉴런이 그 기능을 수행할 때 누군가를 사랑하고 있다라고 여기는 것이다. 어떤 기능주의 관점에 따르면, 인간 외의 다른 동물, 외래의 생명체 또는 고등 컴퓨터가 원칙적으로 정신 상태를 지닐 수 있다는 것이다.
인지 과학: 용어[편집]
인지과학의 “인지”라는 용어는 구체적으로 기술 가능한 인간의 정신 작용 또는 구조에 대해 사용된다. (Lakoff and Johnson, 1999) 이러한 개념화는 너무 광범위하여, 이 “인지”라는 용어가 분석 철학과 같은 곳에서 사용되는 방식과 혼동될 수 있다. 분석 철학에서의 “인지”라는 것은 정형화된 규칙과 진리 조건적 의미론 (truth conditional semantics )에만 연관된다. 옥스포드 영어 사전(OED )에서 초기의 인지라는 단어는 대체로 “무엇을 알아가는 행위 또는 과정”을 의미하였다. 1586년에 최초로 그 단어가 사용되었는데, “지식”에 대한 플라톤 철학 이론의 맥락이었다. 하지만, 인지과학 분야의 대부분 사람들은 그들의 분야가 플라톤이 추구한 “지식“과 같이 확정적이라고 생각하지는 않는다..
범위 (Scope)[편집]
인지과학은 “인지”와 관련된 광범위한 영역을 다루는데, 그렇다고 인지과학이 정신 또는 지능의 특성과 작동과 관계된 모든 토픽을 동일하게 다루지는 않는다는 걸 명심해야 한다. 사회 문화적인 요인들, 감정, 의식, 동물인지, 비교와 진화적 접근 등은 흔히 경시되거나 또는 완전히 배제되는 데, 종종 핵심 철학적 원리와 상충되기 때문이다. 인지과학에서 통상적으로 꺼려하는 정신과 관련된 다른 중요한 주제가 감각질(qualia, 두통의 통증, 와인의 맛, 석양 하늘의 붉기 등과 같이 주관적인 의식적인 경험의 개별 사례)의 존재인데, 이 사안에 대한 논의가 종종 철학적 공개 문제로서 특질을 언급하는 것으로 국한한다. 하지만, 인지과학 커뮤니티 내의 어떤 사람들은 이러한 것들이 매우 중요한 주제이고 적극적으로 탐구해야 한다고 주장한다.
아래는 인지과학이 다루는 주요한 주제들의 일부를 나열한 것이다. 모든 주제들을 포함하지는 않았지만 지능적 행위 (intelligent behaviors)의 광범위한 영역을 다루고자 했다. 인지과학 주제 리스트(List of cognitive science topics)를 통하여 인지과학의 다양한 측면을 알 수 있다.
인공 지능[편집]
"… 인공지능과 인지과학의 심리학에 대한 하나의 중요한 기여는 인간 사고의 정보 처리 모형인데, 말 그대로 인간의 두뇌를 컴퓨터로 비유한다.” 인공지능 (AI, Artificial intelligence)는 기계의 인지적 현상을 다루는 학문이다. 인공지능의 목적은 사람의 지적 특징을 컴퓨터 내에 구현하는 것이다. 컴퓨터는 인지 현상을 연구하는 데 광범위하게 사용되는데, “계산 모형 (Computational modelling)”은 시뮬레이션을 사용하여 사람의 지능이 어떻게 구성되어 있는지를 연구한다. (연구 방법론 섹션의 계산 모형 부분 참조)
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 결합설(Connectionism, 심적 과정은 모두 자극과 반응 사이의 습득적 결합 작용에 의한다는 설)에 따라서 정신을 연구하는 반면에, 후자는 기호계산 (symbolic computation)을 강조한다. 이 사안에 대한 관점 중에 하나는, 인간의 두뇌를 구성하는 뉴런들에 대한 정확한 시뮬레이션 없이 컴퓨터 상에서 인간의 두뇌를 정확하게 시뮬레이션 할 수 있느냐는 것이다.
주의[편집]
집중(Attention)은 중요한 정보를 선택하는 것이다. 사람의 정신은 수많은 자극을 받게 되는 데, 그러한 것들 중에 처리 대상을 결정하는 방법이 있어야 한다. 주목은 때때로 스포트라이트로 여겨지는 데, 즉 정보의 특정 부분만을 비출 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 비유를 지지하는 실험 중에 Cherry가 1957년에 실시한 양분 청취 과제 (dichotic listening task), 1998년 Mack과 Rock이 진행한 부주의 맹시 (inattentional blindness) 연구 등이 있다. 양분 청취 과제에서는, 피실험자들에게 각 귀 마다 다른 메시지를 퍼붓고 하나의 메시지에만 집중하라고 한다. 실험 후에 집중하지 않은 메시지 내용에 대해 물었을 때, 피실험자들은 그 내용을 답하지 못한다.
지식과 언어 처리 (Knowledge and processing of language)[편집]
그 유명한 구 구조 나무 (phrase structure tree)로서 인간의 언어를 표현하는 방법 중에 하나인데, 구성 요소를 계층 구조화하는 것이다.
언어를 배우고 이해하는 능력은 매우 복잡한 과정이다. 언어는 생후 몇 년 내에 습득되고 모든 사람은 정상적인 환경에서 언어를 능숙하게 습득한다. 언어가 그러한 방식으로 학습되기 위해서 언어가 반드시 갖춰야 할 개략적 특성들을 발견하는 것이 이론적 언어학의 주된 동력이다. 어떻게 두뇌가 언어를 처리하는 지와 관련한 주된 연구 질문들은 (1) 언어적 지식은 어느 정도나 타고난 것인지 아니면 학습되는 것인지? (2) 왜 성인들은 어렸을 적 모국어를 배웠을 만큼 쉽게 두 번째 언어를 배울 수 없을까? 그리고 (3) 사람들은 어떻게 새로운 문장들을 이해할 수 있을까?이다.
언어 처리에 대한 연구는 말하기의 소리 패턴 탐구에서부터 단어와 전체 문장의 의미까지 다양하다. 언어학자들은 종종 언어 처리를 철자법(orthography), 음운론(phonology), 음성학(phonetics), 형태론(morphology), 통사론(syntax), 의미론(semantics), 화용론 (pragmatics)등으로 구분한다. 언어의 여러 가지 측면을 이러한 구성 요소들의 개별적 그리고 상호 작용 관점에서 연구한다.
인지과학에서의 언어 처리 연구는 언어학 분야와 매우 밀접하게 연계되어 있다. 언어학은 전통적으로 역사, 예술과 문학 등과 함께 인문학의 일부로서 연구되었다. 최근 50여 년 간에는 더 많은 연구자들이 지식과 언어 사용을 인지 현상으로서 연구해왔는데, 어떻게 언어의 지식이 습득되고 사용되는 지, 그리고 그것이 정확히 어떻게 구성되는 지 등을 주된 문제로 다룬다. 언어학자들은 인간이 매우 복잡한 시스템으로 통제되는 여러 방법으로 문장을 구성하고, 말하기와 관련된 어떤 규칙을 전혀 의식하지 않고 말하기를 할 수 있다는 것을 밝혀왔다. 따라서 언어학자들은 그러한 규칙이 정말로 존재한다면 그 규칙들이 어떠한 것인지 밝혀 위해서는 간접적인 방법에 의존한다. 어쨌든 말하기가 실제로 그러한 규칙들을 통하여 통제된다고 하더라도, 그러한 규칙들이 깊이 생각한다고 해서 밝혀지지는 않는다.
학습과 성장(Learning and development)[편집]
학습과 성장은 우리가 지식과 정보를 취득하는 과정이다. 신생아는 거의 또는 아무런 지식 없이 태어나지만 (지식을 어떻게 정의하느냐에 따라 다르겠지만), 그들은 언어를 사용하고, 걷고, 사람과 사물을 인식하는 능력을 매우 빠르게 익혀간다. 학습과 성장에서 다루는 연구는 그러한 과정들이 어떻게 일어나는 지에 대한 메커니즘을 밝혀내는 것을 목표로 한다.
인지 성장 연구의 주된 질문은 어떤 특정 능력이 어느 정도나 선천적 또는 후천적인지에 대한 것이다. 이는 종종 천성과 교육 (nature and nurture) 논쟁의 프레임으로 볼 수 있다. 선천주의 관점에서는 특정 특징들은 몸의 어떤 기관에 따라 타고나며 유전적 자질에 따라서 성장한다고 강조한다. 경험주의 관점은, 반면에 특정 능력은 주변 환경을 통하여 학습된다고 강조한다. 아이가 정상적으로 성장하기 위해서는 명확히 유전적, 환경적 입력이 필요하겠지만, 유전적 정보가 인지적 성장을 이끈다는 주장에 대해서는 많은 논란이 있다. 예를 들면, 언어 습득 분야에서 스티븐 핑커(Steven Pinker)와 같은 사람들은 특정 정보가 보편적인 문법적 규칙을 담고 있고 이 정보가 유전자 속에 있다고 주장한다. 반면에, Jeffrey Elman과 그의 동료 (선천성에 대해서 다시 생각하기 – Rethinking Innateness)같은 사람들은, 핑커의 주장은 생물학적으로 비현실적이라고 주장한다. 그들은 유전자가 학습 시스템 구조를 결정하지만, 문법에 대해서는 경험을 통해서만 익힐 수 있다고 주장한다.
기억 (Memory)[편집]
기억을 통해서 우리는 정보를 저장하고 나중에 상기한다. 기억은 종종 장기기억과 단기기억으로 구성된다고 여겨진다. 장기기억은 며칠, 몇 주, 몇 년 이상의 오랜 기간 동안 정보를 저장하는 데, 장기기억이 얼마나 정보를 저장 가능한 지에 대해서는 아직 밝혀지진 않았다. 단기기억은 몇 초 또는 몇 분의 짧은 시간 동안 정보를 저장한다.
기억은 또한 종종 서술기억 (declarative memory)과 절차기억 (procedural memory)의 유형으로 나누기도 한다. 서술기억 – 의미기억(semantic form)와 일화기억(episodic form)으로 다시 구분-은 사실과 특정 지식, 특정한 의미, 그리고 특정한 경험에 대한 기억에 관한 것이다. 예를 들면, 미국의 첫 번째 대통령은? 또는 4일 전에 내가 아침에 무얼 먹었지? 등이다. 절차기억은 자전거 타기와 같은 행동과 동작 순서를 기억하는 것인데 종종 암묵적 지식 또는 기억이라고 부르기도 한다.
인지과학자들은 심리학자와 마찬가지로 기억을 연구한다. 하지만, 기억이 어떻게 인지 과정에 관계되는지, 그리고 인지와 기억 간의 상호 관계에 대해서 더 집중한다. 이러한 예로서는, 오래 전에 잊었던 기억을 상기하기 위해서 사람이 어떤 정신적 절차를 거치는 지, 그리고 어떤 것을 인식 (어떤 것의 힌트를 보고 그것을 기억)하고 회상 (빈칸 채우기처럼 기억을 끄집어 내는 것) 하는 것의 인지적 과정이 어떻게 다른 지 등을 중점적으로 다룬다.
지각과 행동(Perception and action)[편집]
네커 큐브, 착시 현상의 예
착시 현상. 정사각형 A는 정확하게 정사각형 B와 같은 밝기이다. 참조 체커 그늘 착시.
지각은 감각을 통하여 정보를 받아들이고 특정한 방법으로 그것을 처리하는 능력이다. 시각과 청각은 두 가지 주요한 감각으로서, 주변 환경을 지각할 수 있도록 한다. 시각적 지각 연구에서 다루는 질문들은 예를 들면, (1) 우리가 어떻게 사물을 인식할 수 있는가? (2) 왜 우리는 특정 시점에 시각적 배경의 일부만을 볼 수 있으면서 연속적인 시각적 배경을 지각하는가? 시각적 지각을 연구하는 데 사용하는 방법 중에 하나는 사람이 착시를 어떻게 처리하는 지를 살펴보는 것이다. 네커 육면체 (Necker cube)의 오른쪽 이미지는 쌍안정 지각의 예이다. 즉, 육면체는 두 가지 다른 방향을 지향하는 걸로 해석될 수 있다. 촉각, 후각, 그리고 미각의 자극에 대한 연구 또한 지각의 영역이다. 동작은 어떤 시스템의 출력에 해당하는 데, 사람은 이를 운동 반응을 통하여 수행한다. 공간 계획 및 이동, 말하기, 복잡한 동작 움직임 등이 이에 해당한다.
연구 방법 (Research methods)[편집]
많은 다양한 방법들이 인지과학을 연구하는 데 사용된다. 분야가 매우 여러 학문 분야의 지식과 연관되어 있기 때문에, 종종 심리학, 신경과학, 컴퓨터 과학, 시스템 이론 등의 연구 방법들을 접목하면서 다중의 연구 영역을 꿰뚫기도 한다.
행동 실험 (Behavioral experiments)[편집]
지능적 행동의 구성에 대하여 기술하기 위해서는, 반드시 행동 자체를 연구해야 한다. 이러한 유형의 연구는 인지심리학과 정신물리학 연구와 밀접하게 연계되어 있다. 다양한 자극에 대한 행동적 반응을 측정함으로써, 그러한 자극이 어떻게 처리하는 지에 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. 행동 추적은 어떤 행동이 발생했다는 흔적들을 의미하는 데, 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 있는 지를 관찰하는 것이다. 행동 선택은 어떤 사람이 두 가지 이상의 옵션 중에 선택하는 것으로 예를 들면, 투표 행동, 다른 참가자에 대한 처벌 선택 등이다.