자폐증 뇌 연결 장애와 범주화 결함: 인공신경망 기반 이론적 접근

초록

본 연구는 자폐 스펙트럼 장애(ASD)에서 관찰되는 국소적 과흥분과 장거리 연결 저하가 인지적 범주화와 정신 유연성에 미치는 영향을, 자기조직화 지도(SOM) 기반 3단계 인공신경망 모델을 통해 이론적으로 탐구한다. 시뮬레이션 결과, 과도한 흥분성 시냅스와 장거리 언커넥티비티가 각각 과선택성·과소선택성을 초래해 범주 형성에 장애를 일으키고, 이는 자폐인의 고정된 사고와 일반화 능력 저하로 이어진다.

상세 분석

이 논문은 ASD의 핵심 신경생물학적 특징인 흥분‑억제(E/I) 불균형과 장거리 연결 감소를 인공신경망 모델에 정량화함으로써 인지적 결함 메커니즘을 규명하고자 한다. 저자는 자기조직화 지도(Self‑Organizing Map, SOM)를 기반으로 한 3층 구조(감각 입력층‑중간 통합층‑고차 개념층)를 설계했으며, 각 층은 실제 피질의 발달 단계와 유사하게 가중치와 이웃 반경을 동적으로 조절한다. 국소적 과흥분은 시냅스 가중치 상승과 이웃 반경 확대로 구현돼, 입력 패턴이 과도하게 넓은 영역에 매핑되어 ‘과선택성(over‑selectivity)’을 초래한다. 반대로 장거리 연결 저하는 고차 층과 저차 층 사이의 연결 강도를 감소시켜, 정보 전파가 제한되고 ‘과소선택성(under‑selectivity)’이 발생한다. 시뮬레이션 결과, 과흥분 상태에서는 동일한 자극이 과도하게 분산돼 범주 경계가 흐려지고, 학습된 개념이 과도하게 세분화돼 일반화가 어려워진다. 장거리 언커넥티비티는 반대로 범주가 지나치게 통합돼 구분이 모호해지며, 이는 정신적 경직성으로 표현된다. 두 요인이 동시에 존재할 경우, 서로 다른 뇌 영역에서 상이한 왜곡이 겹쳐 복합적인 인지 장애를 만든다. 연구는 이러한 모델링이 실제 뇌의 구조‑기능 관계를 재현함을 보이며, E/I 불균형과 연결 저하가 어떻게 구체적인 범주화 결함으로 전이되는지를 메커니즘 수준에서 제시한다. 한계점으로는 파라미터 선택의 주관성, 실제 신경생리학적 데이터와의 정량적 검증 부족, 그리고 인간의 복합적 언어·사회적 기능을 단순화한 점을 들 수 있다. 향후 fMRI·EEG 기반 연결 매트릭스와 모델 파라미터를 매핑하거나, 강화학습을 도입해 행동적 결과와 연결시키는 연구가 필요하다.