스크랩 작업 기억 working memory

[유나(김이라)]

작업 기억[ working memory ]        

정보들을 일시적으로 보유하고, 각종 인지적 과정을 계획하고 순서 지으며 실제로 수행하는 작업장으로서의 기능을 수행하는 단기적 기억

1. 개요

작업 기억은 정보를 처리하기 위한 의식적인 정신적 노력이 가해지는 정신적 작업 공간의 기능을 가지며, 제한 정보만을 순간적으로 저장하여 접근 가능한 형태가 되도록 한다. 수많은 일상의 작업들은 작동 기억 능력에 의존하는데, 예를 들어 전화를 걸기 전까지 전화번호를 마음속에 유지하는 것과 같은 것이다. 작동 기억은 또한 시간이 흐름에도 계속 이어지는 감각을 갖게 해 주어 우리의 순간적인 의식적 경험들을 기나긴 심리적 현시점으로 끼워 넣는 것을 가능하게 한다. 작업 기억의 두 가지 중요한 특징은 상대적으로 작은 용량과 제한된 지속 시간이다.

2. 연구 배경

전통적인 기억 연구에서는 오랫동안 기억을 단기 기억과 장기 기억이라는 두 가지 체계로 연구해왔다. 1890년대 윌리엄 제임스(Willian James)는 기억을 일차 기억과 이차 기억으로 구분했다. 여기서 일차 기억은 의식에 존재하며 심리적 현재의 일부 기억을 지칭하기 위해 사용되었는데, 이는 1900년 중반부터 사용된 용어인 단기 기억을 의미한다. 그러나 일차 기억은 단기 기억의 제한적 기능만을 강조하는 한계에 부딪친다.

1960년대에는 기억 체계를 여러 개의 저장고로 이루어진 구조로 보는 다중기억 이론이 등장하면서 기억 체계가 감각 기억, 단기 기억 및 장기 기억으로 이루어져 있는 것으로 제안되었다. 대표적인 모형으로 앳킨슨과 쉬프린의 중다기억 모형(Atkinson & Shiffrin, 1968)이 있다. 단기 기억은 정보의 지속 기간이 15-30초 정도로 깨지기 쉽고 반복되지 않으면 약 30초 이내에 사라질 수 있으며, 우리가 한 순간 담아 둘 수 있는 정보의 양이 극히 제한되어 있다. 따라서 우리는 기억 재료에 대한 선택적 주의를 해야 하며, 이런 주의 과정은 단기 기억으로 들어올 수 있는 정보의 양을 제한한다.

이러한 관점에서 배들리와 히치는 단기 기억을 작업 기억으로 명명해야 한다고 주장하며(Baddeley & Hitch, 1974), 단기 기억을 선택적 주의와 관련하여 단기 기억이 어떻게 다른 인지 과제를 완수하는 데 도움을 줄 수 있는지 연구했다. 이들은 작업 기억이 음운 고리와 시공간 메모장, 그리고 집행 기능의 구조로 이루어졌으며, 지속적으로 장기 기억들과 상호작용한다는 작업 기억 모형을 제시했고, 이후 배들리는 이 모델에 음운 고리, 시공간 메모장, 중앙 관리자로부터 정보를 모으고 통합하는 임시 저장소인 일화적 완충기(episodic buffer)를 추가했다(Baddeley, 2000).

3. 작업 기억의 모형 및 시스템

그림 1. 배들리의 작업 기억 모델출처: Baddeley, 2000

배들리가 제안한 작업 기억 접근에 따르면, 즉시적 기억은 인지 과제를 수행할 때 일시적으로 정보를 유지하고 조작하는 다중 분할 체계이다. 이 모형에서 작업 기억은 각각 독립적인 용량을 가진 네 개의 분리된 요소인 음운 고리, 시공간 메모장, 중앙 관리자, 일화적 완충기로 이루어졌다. 배들리의 접근은 작업 기억이 단순히 장기 기억으로 옮겨지기 전까지 부분적으로 처리된 정보들을 유지하는 수동적인 저장고가 아니며, 재료를 처리하고, 통합하고, 변환하는 작업대와 같이 정보를 조작하는 기능을 지니고 있음을 강조한다. 배들리의 모형에서 제안한 작업 기억의 네 요소는 다음과 같다.

3.1 음운 고리

음운 고리(phonological loop)는 짧은 시간 동안 제한된 수의 소리를 저장한다. 음운 고리는 제한된 정보를 짧은 시간 동안 청각 부호로 유지하는 음운 저장소와 음운 저장소에 있는 단어들을 소리 없이 반복할 수 있도록 하는 하위 발성 암송 과정이라는 하위 요소로 이루어져 있다. 음운 고리의 제한된 저장 공간은 발음 시간에 따른 국가 이름 암송의 차이에 대한 연구로 알 수 있다. 예를 들어 가봉, 가나 같은 국가의 이름은 빨리 발음할 수 있지만, 대조적으로 리히텐슈타인이나 미크로네시아 같은 국가의 이름은 정해진 시간 안에 제한된 수만을 발음할 수 있다. 따라서 이러한 긴 목록을 암송해야 하는 경우에 부득이 일부 국가 이름은 음운 루프에서 사라지게 된다.

3.2 시공간 스케치북

시공간 스케치북은 주차한 차의 위치, 편의점에서 집까지 오는 길과 같이 시각적, 공간적 정보를 잠시 동안 보관하는 것을 가능하게 해 준다. 사람들에게 자기 집 현관문을 떠올리라고 지시하고 문 손잡이가 어느 쪽에 위치하는지 물으면, 비록 자신이 생생한 이미지를 떠올리지 못한다고 말하는 사람들도 마음속에 떠올린 자기 집 현관문의 손잡이가 문 왼쪽에 있는지 오른쪽에 있는지 ‘볼’ 수 있다. 이러한 시각적 심상을 떠올리는 능력은 시공간 스케치북에 의존한다.

3.3 일화적 완충기(episodic buffer)

작업 기억 모형의 세 번째 요소인 일화적 완충기(episodic buffer)는 배들리가 작업 기억 모형을 처음 제안하고 25년이 흐른 2000년에 추가한 요소로서 음운 고리, 시공간 메모장, 중앙 관리자로부터 정보를 모으고 통합하는 임시 저장소라고 할 수 있다. 일화적 완충기는 이전의 경험을 해석하고, 새로운 문제를 해결하며, 미래 활동을 계획할 수 있도록 정보를 능동적으로 조작하는 기능을 담당한다.

3.4 중앙 관리자(central executive)

중앙 관리자는 음운 고리와 시공간 메모장, 장기 기억의 정보를 통합하는 기능을 담당한다. 또한 주의와 전략 세우기, 행동 통합에서 주요한 역할을 하는데, 이는 불필요한 정보를 억압함으로써 앞으로 우리가 무엇을 하고, 또 무엇을 하지 말아야 할지 판단하도록 하여 우리의 본래 목표에서 벗어나지 않도록 도와준다. 중앙 관리자는 음운 고리와 시공간 메모장 및 장기 기억으로부터 정보를 종합하는 경영자의 역할을 함으로써 어떤 문제에 주의를 기울여야 하고 또 어떤 것을 무시해야 하는지를 결정하게 함으로써 문제 해결을 위한 전략을 선택하게 한다.

4. 작업 기억의 용량

1956년 조지 밀러(George Miller)는 어느 한 순간에 오직 7개(±2)의 항목만이 즉시 기억으로 유지된다는 논문을 발표했다. 그의 주장은 당시 학회에 큰 반향을 불러일으켰으며, 밀러의 발견을 실생활에 적용하고자 하는 많은 시도들이 있었다. 하지만 최근 들어 실제 작업 기억 용량은 그보다 더 작으며, 미리 연습(리허설)하지 않는 경우 4개 항목 정도에 불과하다는 것이 밝혀졌다(Cowan, 2001). 또한 하나의 항목이 유지되는 시간은 매우 짧으며 몇 초 정도에 불과하다. 이러한 작업 기억의 한계성에 대한 한 가지 설명은, 작업 기억의 한계성이 우리가 갖는 한 순간에서의 목표에 가장 적합한 몇 가지의 정보만을 특별하게 취급하도록 해 주어 불필요한 정보들에 의해 방해받는 것을 막아 준다는 것이다(Baars & Gage, 2010; Miller, 1956).

5. 작업 기억의 개인차

연구자들은 작업 기억 용량이 개인마다 다르다는 것을 밝혔다. 이러한 차이에 대한 한 가지 공통적 측정치는 작업 기억 폭(working memory span)이다. 작업 기억 폭을 결정하기 위해 참가자들에게 일련의 문장을 소리 내어 읽어 주고 마지막 단어들을 회상하도록 요구하는 과제를 사용할 수 있다. 보통 4개 이상의 단어를 회상할 수 있는 사람은 고폭(high span)으로, 2.5개 이하를 회상할 수 있는 사람은 저폭(low span)으로 간주되는데, 이는 여러 차례의 시행과 문장 세트를 사용하여 구해진 평균값이다. 작업 기억 폭이란 단기적 인지 과정을 수행하는 데 이용할 수 있는 자원의 측정치이므로, 이를 이용하여 다양한 과제에 대한 수행을 예언할 수 있다(Richard & Zimbardo, 2009).

6. 작업 기억의 손상

셸리스와 워링턴(Shallice & Warrington, 1970)은 KF라고 불리는, 단기 기억은 손상되었으나 장기 기억은 온전한 환자를 보고했다. 예를 들어, 숫자의 배열을 들려 주면서 몇 개까지 기억할 수 있는지 측정하는 숫자 폭 과제(digit-span task)를 주면 KF는 고작 하나나 두 자릿수밖에 기억하지 못했다(정상인은 대략 일곱 자릿수까지 기억한다). 하지만 KF는 비교적 정상적인 언어 구사 능력을 갖고 있으며, 새로운 정보를 장기 기억으로 학습하고 전환하는 능력도 있었다. 이처럼 단기 기억은 손상되었지만 장기 기억은 정상인 경우는 장기 기억을 위해서는 단기 기억 관문을 통과해야 한다는 기존의 가설에 도전하는 것이었다.

하지만 배들리의 작업 기억 모델은 만약 언어적 리허설이 손상되었다면 시공간 스케치북(visuospatial sketchpad)이 이를 대신 보충할 수 있으므로 KF의 기억 장애가 작업 기억 모델로 설명될 수 있다고 주장했다. 사실, KF나 다른 유사한 환자를 보더라도 단기 기억이 손상된 것은 특정한 형태의 정보 유형에만 국한된 것 같다. 예를 들어, 이런 환자들은 소리로 들려 주는 언어적 대상을 기억하는 데 어려움을 겪지만 학습 대상이 시각적으로 제시되면 작업 기억이 순조롭게 일어난다(Baars & Gage, 2010).

그림 2. 원숭이(위)와 사람(아래)의 전전두피질출처: Ranganath, 2006

작업 기억과 전전두피질

전전두피질(prefrontal cortex, PFC)은 작업 기억에서 핵심적인 역할을 하는 것으로 알려져 왔으며, 최근 신경과학 기법의 도움을 받아 작업 기억 정보를 유지하는 데 전전두피질이 중요한 역할을 한다는 것이 확고히 알려졌다. 전전두피질 중 특히 배외측 전전두피질(DL-PFC) 영역에 작업 기억 관련 연구가 집중되었다. 그림 2에 원숭이(위)와 사람(아래)의 전전두피질이 나타나 있다. 외측 전전두피질은 크게 두 구역으로 나누어지며, 위쪽은 배외측 전전두피질(DL-PFC)로 분홍색으로 표시되어 있고, 아래쪽은 복외측 전전두피질(VL-PFC)로 연두색으로 표시되어 있다. 푸스터(Fuster)와 그의 연구진은 원숭이에게 지연 반응 과제를 시켰는데, 한 색깔을 보여준 후 잠시 동안 기억했다가 다음에 제시되는 두 색깔 중에 같은 색을 정확하게 가리키는 과제였다. 이 과제에서 한 번 본 색깔을 작업 기억으로 유지해야만 정확한 답을 맞힐 수 있었다.

연구진은 전극을 이용하여 과제가 진행되는 동안의 신경 활동을 기록했다. 원숭이의 DL-PFC 영역에 있는 각각의 뉴런은 지연 기간 동안 활동을 계속적으로 유지했다. 즉, 한 색깔을 보고 난 후 더 이상 제시되지 않아도 DL-PFC에 있는 뉴런들은 계속적으로 발화했고, 두 가지 색깔이 다시 제시되어 맞는 정답을 맞춘 후에는 신경 활동이 사라졌다. 이는 DL-PFC가 특정 정보에 노출된 후 이 정보를 유지하는 데 연관되어 있으며, 따라서 DL-PFC가 작업 기억에서 중요한 역할을 담당함을 시사한다. 이처럼 DL-PFC에서 지연 기간 동안 활성이 지속되는 패턴은 유사한 여러 실험에서 반복되었다(Baars & Gage, 2010; Fuster & Alexander, 1971).

집필 : 김초복(경북대학교 심리학과)