레비 워크 : 동물의 이동 패턴 연구

동물들의 이동은 보편적으로 나타나는 성질입니다. 동물 개체는 물론이고, 세포들도 이동하는 성질을 가집니다.그렇다면 동물은 어떤 이동 패턴을 보이는 것일까요. 그리고 이동의 법칙이 있을까요. 땅을 어슬렁어슬렁 걷는 개미들을 바라볼때, '이 개미들은 무슨 생각을 하고 어디로 가는 걸까'라고 의문을 가졌던 적이 있을 것입니다. 이 의문은 소박하지만 학술적으로도 중요한 관점을 담고 있습니다.

 

동물의 이동 메커니즘

개체가 환경과 어떻게 상호작용하고 이동이나 움직임을 형성하는지에 대한 행동 구조의 이해는 행동학이나 신경과학에 있어서 중요한 주제이며, 이동 패턴의 차이가 개체의 적응도에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 이해는 행동의 진화를 생각하는 동물행동학의 중요한 주제입니다. 나아가 이동은 사회나 생태계와 같은 거시적 현상에도 영향을 미치기 때문에 사회과학이나 생태학에서도 중요하다고 할 수 있습니다. 따라서 동물의 이동을 이해하고 예측,제어하는 것은 기초, 응용 모두 다양한 의의가 있다고 볼 수 있습니다.

 

동물의 레비 워크(Lévy walks)

쵝근 GPS 등관측 기술이 발달함으로써, 개체가 '언제, 어디에 있는가'에 관하여 장기적이고 상세한 데이터를 얻을 수 있게 되어, 이동을 정량적으로 연구할 수 있게 되었습니다. 그 결과, 다양한 동물에서 공통적으로 "레비 워크(Lévy walks)" 라고 하는 이동 패턴을 나타내는 것이 보고되었습니다. 레비워크란 직선의 이동거리가 되어야 할 분포를 따르는 랜덤워크의 일종으로 드물게 긴 직선이동이 나타난다는 특징이 있습니다.

레비워크와 일반 랜덤워크의 차이

그림 설명

• 2차원 공간에서의 레비워크는 드물게 긴 직선이동을 볼 수 있습니다.
• 일반 랜덤 워크에서는 지수 분포를 따르지만 레비 워크에서는 해야 할 분포를 따릅니다.

최근 20년간 T세포와 암세포, 초파리, 꿀벌, 개미 등 곤충류, 참치, 상어 등 어류, 호롱새 등 조류, 자카르, 거미원숭이 등 포유류, 나아가 인간 수렵민족에까지 공통적으로 레비워크가 나타나는 것으로 보고되었습니다. 물리적 공간에서의 이동뿐만 아니라 사람이 머릿속에서 단어를 검색하는 것과 같은 인지적인 과정에서도 레비워크와 비슷한 패턴을 보인다는 보고도 있습니다.

그럼 왜 이렇게까지 레비워크를 동물의 이동에서 볼 수 있을까요? 그 의문에 대해 진화적인 요인으로서 레비워크는 먹이 등의 타깃을 탐색하는 효율이 높다는 것이 이론 연구에서 밝혀졌습니다. 그러나 최근, 탐색 효율의 높이는 다양한 조건에 의해서 변화할 수 있는 것이 밝혀져, 레비 워크를 적극적으로 지지하는 근거는 되지 않는다는 지적도 있습니다. 게다가 레비워크의 패턴은 복잡한 환경과의 상호작용에서도 발생하기 때문에 레비워크가 생기는 동물적인 구조에 대해서도 논의가 나뉘고 있는 상황이었습니다.

 

가설 - 레비워크는 뇌의 임계 현상에서 발생하는가

레비워크를 이해하는 데 있어서 저는 먼저 레비워크가 자발행동의 일종이며 뇌가 자발적으로 그 패턴을 생성하고 있다고 생각했습니다. 이것은 나의 과거 연구를 포함한 선행 연구에서 동물을 변화하지 않는 일정한 환경에서도 레비워크를 볼 수 있었기 때문입니다. 그리고 시스템이 질서와 무질서 사이의 임계점 근방에 있으면 물리량이 해야 할 분포를 따르는 것과 뇌가 그러한 임계점 근방에 있다는 최근의 실증 연구에서 레비워크는 뇌의 임계 현상에서 생긴다고 가설을 세웠습니다.

게다가 시스템이 임계점 근방에 있음으로써 외부 자극에 대한 높은 예민성이나 높은 계산능 등 다양한 기능을 갖는 것이 이론적으로 제안되었기 때문에 레비워크의 기능적 이점도 임계 현상에서 생긴다는 가설을 세웠습니다.

구체적으로는, 이동 패턴을 생성하는 신경계의 수리 모델을 구축해, 역학의 안정한 동기 상태와 불안정한 비동기 상태의 경계선인 임계점 부근에서 생기는 레비워크를 조사했습니다.

임계점 근처에서 발생하는 레비워크

그림 설명

• 이동하는 에이전트의 수리 모델입니다. 신경 시스템의 역동성에서 행동이 생긴다고 가정하고 있습니다.
• 상호작용이 약한 경우 시스템은 불안정하고 일반적인 랜덤 워크를 나타냅니다.
• 상호작용이 중간 정도이고 불안정 상태와 안정 상태의 경계 부근, 즉 임계점 부근에 있을 때 레비워크가 생깁니다. 레비 워크에서는 드물게 극단적으로 긴 직선 이동이 나타납니다.
• 상호작용이 강한 경우 시스템은 안정적이고 직선 이동이 생깁니다.

그 결과, 임계점 부근에서 출현하는 레비 워크가, 정보를 부호화하기 위한 큰 다이내믹 레인지(식별할 수 있는 입력의 크기)와, 가까운 곳의 탐색과 먼 곳의 새로운 장소의 탐색을 입력에 따라 전환하는 유연성을 가지는 것을 알았습니다(아래 그림).이것은, 환경 조건에 맞추어 적절히 행동을 변화시키는 것을 가능하게 하는 정보 처리능이라고 간주할 수 있습니다.

임계현상으로 발생하는 레비워크의 기능적 이점

그림 설명

• 시스템 내부에 입력을 주었을 때의 이동 패턴의 변화입니다.
• 다이내믹 레인지(이동 패턴의 변화가 일어나는 입력의 크기)의 범위. 회색 임계점 부근에서 최대화됩니다.
• 입력의 종류를 바꾼 경우의 행동 전환입니다.
• 입력의 종류를 바꿨을 때의 행동 변화의 크기(유연성). 회색 임계점 부근에서 최대화됩니다.

또한 수리모델에 의한 예측을 선행연구에서 공개된 초파리 유충의 레비워크 데이터에 비선형 시계열 해석을 적용하여 검증한 결과 실증적으로도 레비워크가 임계점 부근에서 생겨 큰 다이내믹 레인지와 높은 유연성을 갖는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 일반적으로 동물의 이동에서 관찰되는 레비워크가 뇌의 임계 현상으로 생겨 그 기능적 이점에 의해 설명될 수 있음을 보여줍니다.

 

레비워크라는 '전략'의 이해와 응용

뇌는 외부로부터의 입력에 대해 적절한 출력을 낳기만 하는 단순한 시스템이 아니라 입력이 없어도 자발적으로 활동하여 행동을 적극적으로 만들어내는 시스템임이 밝혀지고 있습니다. 레비워크는,그 자발적인 활동의 기본적인 패턴이라고 생각되기 때문에, 레비워크를 베이스로 한 뇌-행동-환경의 통합적인 이해를 진행시켜 나가고 싶다고 생각하고 있습니다.

또한 연구에서 제시한 레비워크의 이점은 인지 기능과도 관련이 있다고 생각됩니다. 뇌의 임계현상에서 발생하는 행동패턴과 인지기능의 관계를 깊이 이해함으로써 행동패턴에서 뇌와 관련된 질병, 예를 들어 인지기능 저하를 조기 발견하기 위한 시그널을 추출하거나 인지기능 저하를 막기 위한 개입기법 개발에 대해 기초적인 지견을 줄 것으로 기대할 수 있습니다.

또한 동물은 본 연구에서 제시한 임계현상에 기초한 구조와 그 기능적 이점으로부터 레비워크라는 '전략'을 채용하고 있다고 생각되므로, 그 지견을 응용함으로써 유연성을 갖는 인공적인 자율 에이전트를 설계할 수 있을 가능성을 제시할 수 있습니다.