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2003년 6월 28일
신경심리 연구회
뇌의 인지과학적 연구와 응용
의 미래:
NBIC 융합과학기술과 학습과학과의 관련성을 중심으로
이 정
모
성균관대 심리학과/ 인지과학 협동과정
[email protected] http://cogpsy.skku.ac.kr
Copyrightⓒ2003,이정모
2003. 06.28. 신경심리연구회
요약
인지과학이란 무엇인가
인지과학과 마음 개념의 재구성
인지신경과학 연구의 개념적 측면과 전망
융합과학기술이란 무엇인가
융합과학기술과 뇌 연구의 응용
뇌연구와 학습과학
2003. 06.28. 신경심리연구회
First
Course
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가. 인지과학의 개념적 기초
인지과학 패러다임
인지과학의 일반적 특성
인지과학의 연구주제, 방법
인지과학의 역할 (정보화 사회에서의)
인지과학의 발전적 변화
마음 개념의 재구성
Downwards-Pull
Outwards-Pull
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20세기의 과학 패러다임 변혁
-인지주의(Cognitivism)-
인지혁명 (Cognitive Revolution)
 인지주의
Information Processing Approach
마음 = 컴퓨터 = 두뇌: 정보처리 시스템 (IPS)
심리적 과정 : 정보처리과정
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자연현상
과학적
보는 틀
20세기 초까지 물리현상
생물현상
20세기 후반 두뇌
심리현상
인공물
(Artifacts)
분
\
산
적
인
지
표
상
• 과학자
•과학적 방법
•과학적 지식
상대성이론
진화론
인지주의(정보처리적 접근)
인지과학 (Cognitive Science)
컴퓨터, 커뮤니케이션 기구 및 체계
기타 각종 기구, 도구
문자, 말 등의 상징체계
각종 문화적, 사회적 체계(systems)
(예: 행정체계, 경제-산업체계, 교육체계 등)
과학적 보는 틀과 인지과학
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2. Brain Metaphor
* 마음과 知(Intelligence)의 본질을 구현하기 위한 체계 특성은
이를 정보적 사건의 naturalized, 정보적 구조와 과정으로 개념화
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인지과학
인간, 동물, 및 기계(컴퓨터)에서 나타나는 Intelligence의
본질과 인간의 知的 활동의 산물인 각종 인공물에서
이러한 知가 어떻게 구현되는가 하는 문제를 연구
① 두뇌와,
② 마음,
③ 컴퓨터,
④ 기타 환경 속의 인공물
- 知의 확장의 부분들이며 대상들
- 인터넷, 각종 도구(기계 +), 제도, 문화
넷 사이의 정보적(지식 형성/사용적) 관계를 다루는
학문.
융합적
인지과학의
세계들
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신경심리연구회
Socio-Worlds
Neuro-Cognitive
Worlds
Minds
Emotion
Info-Worlds
(Real / Virtual)
Cognition
Sensation
Artifacts
Brain
(소프트/하드)
BODY
computer
Bio-Computational
Worlds
Nano-Worlds
Copyrightⓒ2003, Jung-Mo Lee
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< 인지과학의 특성 >
정보처리적 인간관
‘마음’이란 무엇이며 어떻게 작용하는가?
마음 = 정보처리 체계
Information Processing System
= (정보처리 구조들)  (정보처리 과정들)
컴퓨터
두뇌
마음
컴퓨터
정보처리 체계
- Turing의 기계이론에서 출발
두뇌
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< 인지과학의 연구 주제 : 1>
신경적 인지 (Neuro-cognition)
- 좌우 반구 기능
- 뇌 손상 환자 특성 등
감각 & 지각(Perception) :
인간의 감각지각/ 기계-지각
신체 Motor-Seonsory-인지 coordination
주의 (Attention)
대상인식(형태재인; Pattern Recognition)
학습 (Learning) -인간, 동물, 기계, 문화시스템
기억 (Memory) 구조, 과정, 지식표상
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< 연구 주제 : 2>
언어 (Language)
이해 - Comprehension
산출 - Production
computational linguistics
문제해결 (Problem Solving) + 전문가(Expertise)지식/기술
개념적 사고 (Conceptual Thinking)
(범주적 사고)
추리 (Reasoning)
판단 + 결정 (Decision Making)
지능 (Intelligence)
창의성 (Creativity)
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< 연구 주제 : 3>
정서 (Emotion)
사회적 인지 (Social Cognition)
- 태도, 신념, 편견, 집단사고, 협동,커뮤니케이션
- 인지발달 (Cognitive Development)
의식 (Consciousness)
인지공학 (Cognitive Engineering), 학습과학
- 인지교수법 (Cognitive Instruction), ITS(튜토링시스템)
- HCI (Human-Computer Interactions)
- 인간공학, 감성공학, 정보공학
- 인지생태학(환경과학)
- 진화심리학, 유전행동학
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인지과학의 방법1:
<경험적 실험>
전통적 실험
<이성적 실험>
Computer Simulation
+
강력한 연구 방법론
Theory proving
-
Theory development
Psychophysics methods(심리(정신)물리법)
- Psychometrics (심리계측법)
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방법2: 인지신경과학방법
CAT (컴퓨터 단층촬영 기법)
PET (양전자방출 단층 촬영기법)
fMRI (기능성 자기공명영상 기법)
EEG (뇌파 측정기법)
ERP(Event Related Potentials): 사건관련전위법
MEG (Magnetoencephalography): 자기뇌도측정법
TMS (Transcranial경두개 자기자극법)
인지신경심리검사(Cognitive Neuropsychological Tests)
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인지과학의 방법3: 기타
Ethnomethodology (민속방법)
담화분석법
Metaanalysis
기타
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정보화사회에서의 인지과학의 역할 1:
정보화의 개념적 기초 제공
인지과학: 정보화 사회에 개념적 기초
(Conceptual Foundations) 제공
정보, 인간, 마음의 개념을 재규정
정보처리(Information Processing)의 개념 세련화
인간-인공물(artifacts)의 상호관계의 개념 재구성
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인지과학의 역할 2:
- 마음, 뇌의 기초 정보처리과정 규명, 설명
감각, 지각, 주의, 기억, 언어, 사고, 지능, 정서
등의 인지과정 개념, 이론, 경험적 사실 제공
*
*
*
인간, 동물 뇌 구조, 작용 규명
인지과정 및 지식 표상 특성 규명
환경/ 인공물과의 상호작용 특성 규명
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정보화 사회에서의 인지과학의 역할 3:
- 응용적 구현 영역 창출, 개발, 효율화, 디자인
- 정보처리 관련 인간의
효율적, 최적 performance 원리 발견, 구현
응용 ( 인공물 디자인)
- human potentials (학습, 사고, skills)의
본질 규명, 진단, 개선, 육성 방안 도출
(뇌/인지-friendly 환경, 뇌)
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핵심 응용인지과학기술
인지 기술(CT:Cognitive Technology)
인간의 마음을 외현화 하는 과정
기술 인지(TC:Technological Cognition)
외현화된 심적 구성물인 도구에 인간의 마음이 인
지적으로 적응하는 과정의 문제
앎 기술(Epistemic Technology)
인간과 도구의 processing 능력을 증대시키는
도구 개발
인지학습 증진/재활 기술 – 뇌손상-인지학습 장애자,
정신지체자, 정상인의 학습, 기억, 이해, 사고 기술
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-인지학습 (Cognitive Learning)
-인지교수법 (Cognitive Instruction)
멀티미디어 학습/교육 소프트웨어 개발 지원
컴퓨터 프로그래밍 학습/ 교육
학교 장면
산업 장면 (의료 장면 등)
전문가 expert 기술, 지식
인터넷 인지
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인지과학의 발전적 변화
-인지신경과학의 비중 급증
-마음 개념의 재구성
-방법론적 변화
-주제 영역의 확장
-응용영역의 창출 및 확산
-NBIC 수렴적-융합과학기술로서의 부상
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1. 인지신경과학의 발전
뇌 영상 인지신경 기법의 발전
연구 프로젝트 지원 속도 증가
연구 결과의 급증
제도적 변화의 움직임
- 심리학과의 재편성
-> 인지심리학(인지과학) + 신경과학 vs
사회-임상심리학
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2. 방법론적, 설명이론적 변화
인지신경감지 기법의 발전
다원적 설명이론 적용
기계적 설명이론
Reason-purpose 기술 설명이론의 도입
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3. 주제 영역의 확장
정서 및 동기와 인지의 불가분성 인정
사회적 인지의 중요성 인정
개인차 중요성 인정
인접학문과의 연계 응용 연구 주제 부각
진화심리학, 인지인류학
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4. 응용인지과학의 확장
응용인지과학의 중요성 부상
응용인지과학 연구 주제 영역의 확장
인지공학 일반
학습과학 연계 주제
인지 기술 재활, 개선 주제
로보틱스 연계 주제
응용인지신경과학
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5. 마음 개념의 재구성
고전적 인지주의 의 1차적 재구성:
: 아래로 끌음 (downwards-pull)
- 신체/ brain 에 기반한 접근
고전적 인지주의의 2차적 재구성:
: 밖으로 끌음 (outwards-pull)
- 사회/ 환경에 기반한 접근
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고전적 인지주의 의 1차적 재구성:
: 아래로 끌음 (downwards-pull)
연결주의 (connectionism)
:- 이론적 신경망 모형 중심의 마음 개념
인지신경과학
:- 뇌의 신경생물적 과정으로서의 마음 개념
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고전적 인지주의 의 2차적 재구성:
:
밖으로 끌음 (downwards-pull)
생태학적 접근: Ecological Psychology
동역학 체계적 접근: Dynamic Systems
approach
진화심리적 접근: Evolutionary psychology
상황인지적 접근: Situated Cognition Approach
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마음, 인지에 대한
개념적 기초(conceptual foundations)의
재구성이 요청됨
⇒‘인지’, ‘학습’, ‘mind’ 개념의 새로운 구성
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1. 생태학적 접근
J. J. Gibson
환경과 유기체를 2분법적으로 구분 곤란
표상없는 행위
환경 내의 가능성 (Affordance)
Attuning and Picking-Up
환경과 분리되지 않은 행위로서의 마음
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2. Mind as a Society of Dynamic Systems
인지과정이란 계산적 정보처리가 아니라
Evolving in an abstract space of possible
states
A trajectory through a series of states
순간적 과정의 연계로서의 지식
안정성과 변이성은 복잡한 역동체계들의
실시간 활동의 joint 산물
마음은 동역학 체계들의 집합
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3. 진화심리학:
뇌는 물리적 체계- 환경에 적합한 행동 생성하도
록 designed
뇌신경회로 특성은 진화 과정에서 자연선택 과정
에 의하여 조성됨
진화 초기 단계의 상황별 문제해결 위한 특수 신
경회로 모듈들이 진화됨: specialized modules
영역특수 절차를 지님
원시 hunter-gatherer 시절의 심적 반응, 처리
특성이 잔존
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4. Situated Mind/ Cognition
Symbol 의 불필요성
표상(representations)의 불필요성
개인이 아니라 개인과 사회적, 물리적 환경의 상
호작용 강조
환경 인공물에의 정보분산 저장 및 실시간적
활용 강조 (distributed cognition)
- Collaborative Cognition, Learning
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<상황지워진 인지 관점의 기본가정>
a.




인지는 뇌 속에 캡슐화되어 있는 것이 아니라,
인간과 환경(물리적,사회적)과의 상호 작용속에서
구현됨.
고로 환경과 괴리된 마음이란 불가
artifacts, 외적표상이 일상문제해결에서 사용됨
b.


real 세상의 구조가 인간의 행동을 제약하고 guide
인간의 내적(심적) 조직화 특성이 환경의 변화를
결정할 수도 있음
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c.
인간의 지식은 경험되는 상황 또는 어떤 범위의 상황들과
완전히 괴리되거나 탈맥락화 될 수는 없음.
인간의 표상에는 항상 어떤 잔여적인 편견, 문화적 맥락 有
모든 표상이 맥락의존적 해석임. 객관적 표상 없음
d.
상황에서 지각된 기능적 측면을  운동적 행위로
‘직접’ 전환하는 생득적-내재적(built-in) 미케니즘 有
환경이 가능하게 하는 바(affordance)는
환경에서의 불변성(invariants)이며
직접 지각되기에 정보처리나 표상이 필요 없음
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표상(representation) 없는 마음
상황지워진 맥락에서 환경과의 상호작용에 의해
실시간적으로 드러나는 인지적, 학습 구조는 내적
인 별도의 표상을 전제함이 부적절함을 시사
⇒ 비표상주의(Non-representationism)관점 제기
- 심리학의 관점을 밖으로 움직임
심리학의 기본 대상이 actions
심리학의 기본 관찰 대상이 현상적 측면
*Action models : 인지 = 대상 조작, 활동, 기술
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Activity로서의 마음
두뇌의 감각/운동/지각 영역의 구조/과정이
그리고 지식이
⇒ 순간적 앎의 activities만 있지,
지속적 지식 표상은 없다.
의미는 맥락적, 문화적 구성
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Embodied Cognition
i)
세계를 지나치게 모형화하는 것을 피하고,
실시간의 행동-산출 체계의 요구에 맞도록
세계에 대한 모형화를 시도함
ii) 어떤 특정한 체계(동물이건, 사람이건, 로봇이건)의
요구나 생활양식과 그 체계들이 반응해야 하는 정보를
포함한(information bearing) 환경 구조의 종류의
적합한 짝 coupling 을 찾아내야 함
iii) Hot cognition
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Action selection관점: Franklin
: 마음이란 자율적 agent의
-
action selection mechanisms (paradigms)
마음의 주 과제는 다음 행위의 산출
마음은 행위를 산출하기 위하여 기억 생성
마음은 수많은 별개의 시스템에 의해 가능하여짐
마음은 불연속적인(Boolean) 것이 아니라
연속적인 것
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Brunswick:
- probabilistic functionalism
마음은 환경 자극 사이의 관계성 구조 탐색하여
반응 구조와 부합되게 하는 계산 수행
새로운 메타포: - 마음은 통계학자
유기체의 행동은 본질적으로 확률적,
인간 지각 = 직관적 통계학자
원격 환경 단서와 반응 사이의 관계를 확률적 관계로
처리
적응 달성의 기능
많은 단서를 조합 계산하여 반응 산출
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Simple Heuristics: Gigernzer
Mind as an intuitive statistician
Brunswick: 현재(환경구조) 적응측면에 초점
Gigerenzer: 현재와 과거(환경구조+역사) 측면 포함
앨고리즘적 계산이 아니라 휴리스틱스적 계산
생태적 합리성 원리에 의하여 계산, 반응 생성
환경에 적합한 휴리스틱스 적용
빠르고 검약한 휴리스틱스 Fast-Frugal Heuristics
[환경구조] X [ 휴리스틱스] 구조
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<마음들의 집단(The Society of the Minds)>
Complex Minds  Simple Minds
Natural Minds  Artificial Minds
 인간의 마음
 고등동물의 마음
 하등동물의 마음
 상징체계의 마음
 반동적 로보트의 마음
 인간마음의 수준을 초월하는 미래
컴퓨터의 마음
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<‘마음’의 개념의 확장>
물리적/사회적 환경내의 구체적인 몸 속에
구현된 (embodied) 마음
무 표상(nonrepresentation) 체계로서의 마음
환경과 상호작용 할 때에 비로소 존재하게 되는 마음
NOT : 많은 innate & static 지식이 내장된
단원적 modules로서의 마음
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BUT :
최소한(less)의 지식/표상을
지니고 있지만,
환경과의 상호작용 행위 가운데서
매 상황에 대한 역동적 적응 반응들이
연계되어 이루어지는
순간적 앎(moments of knowing)의
연계들로서
많은(more) 것을 이루는 마음
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여러 다른 마음들(multi-agents)에 의해
사회적, 문화적, 역사적으로 제약되고
결정되는 마음.
⇒ 상황지어진 인지
분산된 인지
체화된 인지의 문제 중심의
대안적 접근으로 재구성됨.
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나 안의 두뇌에 있는 마음이라기 보다,
신체에 구현된 마음,
환경으로 Extended,
Externalized,
Distributed,
Situated MIND로서의 내마음
?? 내마음은 언제 어디에 어떻게 존재하는가?
?? 내마음과 환경과의 경계는 어디에 존재하는가?
?? 마음의 존재의 이유/기능은 무엇인가?……
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⇒ 마음의 본질에 대한 물음의 재구성
⇒ 전통적 정보처리적/ 계산주의적
인지주의 재구성
⇒ 표상주의에 대한 회의 제기
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마음과 인지에 대한 현재의 관점
Situated mind,
Distributed mind (인공물과 타인에)
Extended mind,
Interactive mind,
Embodied Mind (Hot Cognition),
mind as a society of dynamic systems
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Self-organization processes :
Knowing is the dynamic product of a moment in
time
activity-producing subsystem
표상 없이 inputs  행위
⇒ ‘경쟁하는 행동들의 모듬’일 뿐
⇒ 환경의 속성에 의해 다소 직접적으로 제어됨.
단순한 적응적 지능(adaptive intelligence)
2003. 06.28. 신경심리연구회
< 마음의 작용 원리 >
Minimal computation
Minimal representation
Maximum improvising
Maximum adlib from the
Environment /context
2003. 06.28. 신경심리연구회
마음 개념의 재구성의 종합: 의의1
Downwards Pull
Outwards Pull
상이한 접근의 병렬적 공존
수렴적 통합 체계로서의 심리학, 인지과학
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마음 개념의 재구성의 종합: 의의2
-앞으로의 뇌 연구에서 –
Levels of Explanation 수용
뇌 연구에 의한 설명 +
사회-환경적 요인에 의한 설명
전통적 인지주의의 표상(representation) 특성
중심의 뇌 기전 연구보다는
환경으로 확장된 activities 로서의 마음 작용에
대한 뇌 기전 연구
2003. 06.28. 신경심리연구회
Second
Course
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나. 뇌의 인지과학적 연구
- 과거의 인지과학적 뇌 연구의 한 특징
표상과 뇌의 관계에 초점
표상의 실제
표상 처리과정의 계산처리
표상 양식
표상의 Localization
2003. 06.28. 신경심리연구회
미래의 뇌의 인지과학적 연구:
주제 중심 초점
주제 중심 초점: 다음 슬라이드부터
기타:
표상 특성보다는 환경에 확장된 activities로서의 마음에 대한
뇌기전 연구 강조
Representation-less, Direct Interaction of the
Brain with the Environments
- 바퀴벌레의 뇌
- 동역학체계적 과정들
- Learning의 중요성, 진화 특성의 중요성
2003. 06.28. 신경심리연구회
1. 좌우반구 특성 연구:
Macro 수준 기능의 좌우 반구의 차이보다는
Micro , basic 수준 처리 특성의 좌우 반구의
차이 초점
예: Frequency Hypothesis
좌우반구 기능의 공유, 비중, 보완 특성 중심
보다 lower level brain 과의 상호작용 연구 확장
이분법적 관점의 지양
그러나 좌우 반구의 기본 차이 연구 계속
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2. 지각 연구:
Concurrent processing(divide & conquer) 계속
강조
‘What’, ‘Where’ pathways와
‘Analytic’, ‘Holistic’ 같은 pathway/systems에 초점
Computational Problems에 대하여
다른 어떤 인지기능 영역에서보다도 강조
Memory 등 타 과정과의 관계 강조
Ecological perception 측면 강조
2003. 06.28. 신경심리연구회
3. 주의 연구
top-down/ bottom-up 상호작용 기전 강조
Object-based attention 과정
Attentional modulation in subcortical
structures와 피질에서의 주의 처리의 연계
Neglect & attentional deficit 관심 계속
Consciousness 연구 확장
Subconscious processes
New areas 개발: 예: neuro-theology 관련
2003. 06.28. 신경심리연구회
4. 기억
Working Memory Model 신경적 기반 연구
확장
Memory Systems -> Memory process 관심
Pre-frontal cortex 기능 이해 확대
Cortical-subcortical 상호작용 이해 확대
Inhibitory processes 이해 확대
Non-declarative Memory 형성 결함 관심
Recollection 세부 on-going process 이해
2003. 06.28. 신경심리연구회
Aging에서의 기억 변화 특성,
일반 memory disorders 연구 관심 계속
Cellular level 연구의 기여도 계속
Perception 등 타 과정과의 연계
기억관련 인지 재활, 증진 연구의 발전
융합과학기술 연결된 인지신경심리검사 개발
Brain-Based Learning 응용 연구의 확대
2003. 06.28. 신경심리연구회
5. 언어
Mental Lexicon의 신경적 기반 계속 관심
Concepts. categories
Word 수준을 넘어서서 맥락 내에서의 통합처리
연구 확장
놔우반구 기능 분할/보완 논의 계속
Language disorders 이해의 발전 (신경영상법
연계)
뇌진화와 언어진화의 공진화 측면의 개념적, 인
류학적, 해부학적, 유전학적, 진화생물학적, 진
화심리학적 연구의 수렴
2003. 06.28. 신경심리연구회
6. Motor control & skilled actions
Planning & execution pathways 이해 확장
Subcortical-cortical areas의 협동 체계
Hierachical representation of action
sequence
Motor skills와 cognitive skills의 공통적 원리
- 계획
- sequencing
- 선택과 조정, 제어
2003. 06.28. 신경심리연구회
7. 정서
Orbitofrontal cortex 역할 이해
인지와 정서의 관계 이해 확대
- 정서와 decision making의 관계
- 정서와 의식의 관계
심리장애와 Frontal lobes의 역할 이해의 확대
Implicit emotional learning 시스템
Social neuroscience
Affective style 과 emotional communication
이해
진화심리학적 접근과의 연결
2003. 06.28. 신경심리연구회
8. 진화-인지신경-심리
진화신경생물학과의 연계
Sexual selection -> behavior 관련성 이해
인지기능의 성차 이해
진화심리학과 인지신경심리학의 연계
뇌발달 특성과 가소성 이해 확장
2003. 06.28. 신경심리연구회
9. 사고
발전 속도가 계속 느릴 것 <= 한계
범주 개념 표상, 사고의 신경적 기반
추리 유형의 신경적 기반
Decision making, 문제해결 의 신경기제
지적 능력 개인차의 신경적 기반
연계주제 연결 탐색
연계 주제: 주의, 의식, 기억, 언어, 의사결정
정서, 동기, 발달
- 의식의 신경적 기제 부상 -
2003. 06.28. 신경심리연구회
인지신경과학의 어려운 문제들
인지적 기능분석과의 일대일 대응 어려움
하나의 신경구조가 multi- 기능
여러 개의 신경구조가 협동-통합적 작용
병렬적 과정을 선형적 모형으로 연구함
신경과학적 연구의 설명 원리:
인과론이 아니라 상관관계의 제시
심적 과정 및 단위의 개념적 범주 규정 미비
<= 마음의 재개념화 논의 고려 필요성
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뇌의 인지과학적 연구 전망:
- 메타 수준Outwards-Pull과의 연결 문제 고려
분석단위의 확장: [뇌] -> [뇌-환경]
뇌 기능의 이분법적 사고의 지양
전통적 인지과학과 인지신경과학의 상호보완
인지과학의 인지신경과학 의존도 증가
장기간의 시간 경과 상에서의 인지신경과정 변화
연구 발전 - 장기간학습을 포함한 가소성 연구
응용인지신경과학의 발전
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인지신경 연구 도구, 기법의 발전 영향 <=
NBIC 융합과학기술의 산물
뇌의 더 깊은 영역 작용 탐지, 설명
뇌의 더 상위복합수준 매크로 인지기능 이해
더 많은 하위기제와 연계 통합
연구주제의 개념의 명료화
종합적 이해의 증진
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응용 인지 신경과학: 1 예
Personal Brain Scanner: PBS
- 단기적, 주의, 의식 monitoring, checkups
- 중기적 모니터링 – 뇌손상후 재활
- 장기적 모니터링 – 치매 진입
- 학습 진행 상황 모니터링
- Memory training systems
- 인지 재활 진행 모니터링
- 뇌-인지학습공학
** promising areas ! <= NBIC 융합과학기술
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Third
Course
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인류 과학기술의
핵심물음의 3 단계
1. 물질, 에너지란 무엇인가?
뉴턴 이래의 자연과학의 물음
2. 생명이란 무엇인가?
- 1980년대 이후의 핵심적 물음
3. 마음이란 무엇인가?
20세기 후반 이래 21세기의 핵심 물음
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과학기술 발전사:
분화와 융합
1. 초기 형태: 철학이라는 우산 하에
미분화된 여러 영역
2. 르네상스 -> 20세기까지의 형태:
분화와 전문화
철학 -> 물리, 화학, 생물 ->
-> 생화학, 컴퓨터과학, …
3. 20세기 후반 이래:
학제적 수렴, 융합
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분화적 전문화 시기의 과학
관점:
Modular
- 과학의 하위 영역들이
- 고유한 원리를 지니고 있음,
- 독립적으로 연구, 교육, 개발 가능
추진전략: Divide & Conquer
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새로운 수렴적, 학제적 경향
<<<<<-
디지털 컴퓨터, 디지털 세계
마이크로 수준의 물질세계 연구
유전자 연구, 생명과학의 발전
복잡계 시스템 이론 발전
인지과학의 부상 및 발전
<-인지신경과학의 발전
<- 로보틱스 발전
등의 수렴, 융합 추세
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미래 과학기술의 방향
과학기술의 르네상스
수렴적 융합적 과학기술 접근의 필연성
Not: 과거처럼
Fragmented
Disconnected
Demarcated
Solo-playing
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But:
Convergent
Interdisciplinary
Holistic
+ social, human factors considered
Integrated goals
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미국 과학재단 NSF의
미래과학기술 예측진단 보고서
* Roco, M. C. & Bainbridge, W. S.*
,
2002. 6.
http://www.wtec.org/Converging
Technologies/
“Converging Technologies
for Improving Human
Performance.”
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Nanotechnology,Biotechnology,
- Information Technology & Cognitive Science.
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NBIC 수렴적 융합과학기술
nano
bio
info
Cogno
CONVERGING
TECHNOLOGIES
FOR IMPROVING HUMAN
PERFORMANCE
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NBIC 융합과학의 수렴적 특성
2003. 06.28. 신경심리연구회
2003. 06.28. 신경심리연구회
2003. 06.28. 신경심리연구회
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4 Key Principles of NBIC
1. Material unity at the nano-scale
2. NBIC transforming tools
3. Hierachical systems
4. Improvement of human performance
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1. Material unity at the nano-scale
-
모든 과학에 기본이 되는 물질의 조합 단위들
은 나노 수준에서 비롯
-
유기체, 무기체 구조의 공통적인 원리 파악
-
새 물질, 새 생명공학제품, 기계 생산
뉴런, 컴퓨터, 인간신진대사-교통시스템과
같은 복합체계 이해, 제어 가능하게 함
-
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2. NBIC transforming tools
Nano, Bio, Info, Cognitive-based 기술
이전에는 연결이 안되었던 분야 사이의
interfaces에서 혁신적 진보가 이루어짐
과학기구, 분석도구, 새로운 물질시스템 창조
통합적 노력, enterprise
ex): fMRI 와 Nano기술 연결된 non-invasive
brain-monitoring devices
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3. Hierachical systems
NBIC 영역의 연구와 함께 시스템 접근, 수학,
computation 등의 연구 분야와 연결됨으로 인하여
처음으로 자연계와 인지를
복잡계(complex systems),
위계체계(hierachical systems) 차원에서
이해하게 됨
-> 이러한 이해의 적용 바탕에서 통합적, 융합적,
수렴적 과학기술 및 Nature(자연)의 이해가
가능하게 됨
-> 과학기술 발전에 maximum synergy 효과
-
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4. Improvement of
human performance
지금이 인류 기술/공학 역사에서
unique moment 이다.
이 시점에서 인간의 performance 향상의
전환점이 시작된 것이다.
- 인간의 신체, 뇌, 인지, 감정에 대한 깊은 이해와,
인간-기계 직접적 상호작용 도구의
발전으로 인하여
- 인간의 심적(인지적), 신체적, 사회적 능력을 향상시
킬 수 있는 muti 영역 기술의 종합적, 통합적, 융합적
수렴 시점에 도달했다.
- => 개인 및 집단 performance 향상
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Hallmark of Renaissance
1. 예술, 공학, 과학, 문화 등의 모든 영역이
동일한 intellectual principles과
탐구와 창조와 융합의 exciting spirit
을 공유함.
2. 자연현상에 대한: Holistic perspective.
fundamental unity of natural organization.
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Now is the time for
the 2nd Renaissance !!
for : sciences, technologies, and
humanity.
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NBIC 융합과학기술의 미래 비젼
인간 performance의 향상
작업의 효율성, 학습 효율성 개선
개인 감각 및 인지 능력의 강화
개인간, 집단간 커뮤니케이션 기술 및 효율성 증진
개인과 집단의 창의성 향상
Brain-to-brain 상호작용을 비롯한 통신/ 커뮤니케이
션 수단 기술의 향상
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인간의 생물적 지능의 한계를, 확대된 인지(Augmented Cognition)
NBIC 기술을 통해 미래 컴퓨터 파워 수준에 근접 향상시킴
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-인간-기계 상호작용의 완벽성 추구
-신경인간공학을 포함하는 intelligent
environment 구축
-국방을 위한 인간 능력의 강화
- NBIC 이용 과학기구 및 도구 지속 개발
- 신체적, 인지적 쇠퇴 개선
- 신체적, 심리적 장애자 재활 및 상태 개선
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NBIC 융합과학기술과 인지과학:
그 접점
인간 감각-인지능력과 커뮤니케이션 기술의
확장, 개선
1.Cognome 프로젝트:
2. 개인적 감각 확장/향상 도구
인터페이스
3. 질적으로 강화된 커뮤니티
4. 교육과 학습
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신경보철 또는 신경인지기능 향상 용
자연 뇌와 인공 뇌의 신경인터페이스
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NBIC 융합과학기술의 주요 연구주제
1. 인간 cognition & communication 의
확장
Human Cognome 프로젝트
How-to-Learn 학습기술 개발
감각센서 인터페이스 개선에 의한, 인간중심적 디
자인에 의한 인지, 사회 기능 증진
“인간 Cognome” 프로젝트는 게놈 프로젝트 수준
을 넘어서는 미래 인류 과학기술 최대의 연구개
발 과제이며 개척지이다.” (NSF 보고서)
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<인간 Cognome 프로젝트>
인간 유전자지도를 밝혀낸 Genome 프로젝트에 버금가는
프로젝트
인간의 마음의 기능과 구조에 대한 지도를 구성해 내는 연구
개발
인간의 마음의 인지적, 정서적, 동기적, 성격적, 사회심리적
기능과 구조에 대한 지도를
뇌의 지도와 연계하여 구성해 내는 것
=> 단순히 인지과학을 넘어서서 인간의 정보처리와 적응 양
식에 바탕하고 있는 정보과학기술, 생명과학기술, 문화과학
기술, 사회조직 일반에 크나큰 영향을 주고 변혁을 가져올
것임.
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2. 인간 건강과 신체적 능력 개선
나노기술을 적용한 의료 기술 개선
다중감각형 기구, 시스템
Brain-to-brain, brain-to-machine 인터페이스 기술의 상
승
언제-어디서나 정보처리하는 기술 개선
Ubiquitous computing 에 따른 인간 학습 능력,
감각능력, 인지 능력의 확장
Non-invasive tools 사용에 의한 뇌기능 이해 및 응용 기술
의 확장
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나노기술, 뇌영상기술, 정보공학기술, 심리물리학(Cogno)기술을 응용한
인간의 감각, 주의 흐름의 탐지 모니터링 근적외선 /청각신호탐지기구
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미래의 청진기: 신체 검진용 청진기가 아니라
뇌인지기능 진단용 근적외선 Cogno-scope
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3. 집단과 사회적 products의 강화
Effective Communicator 개발
신체적, 거리적, 시간적, 지식적, 인지능력적 개인
차 및 의사소통 장애의 개선
사회적 요인이 과학에 미치는 영향 규명 및
anti-science factors에 대한 제어
과학기술 개발 초기부터 가장 효율적으로 인간활
동에 적용될 수 있는 형태로 사회적 / 행동적 요인
이 고려된 기술 개발 –SocioTech의 도입
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미세한 뇌 감각운동 신호 탐지하여 feedback 하여
감각, 주의 등을 자동적 통제하게 하는 시스템
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4. 과학과 교육의 통합
-
융합적, 전체적 관점의 과학을 교육
NBIC 융합과학 위주로 교과과정 재구성
자연은 수렴적, 융합적, 통합적인 관점의 부각
Science-Based Education
Science-Based Learning
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5. 국가안보
무인차량
화생방 관련 기술 습득
새 세대의 전투병 및 지원 시스템 도출
Augmented Cognition Supporting system
New types of effective vehicles and control
systems
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미 국방성의 전투병 인지능력 확장 시스템 기술
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Fourth
Course
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과학과 교육의 통합
학습과학, 인지과학, 융합과학의 연결
인간 performance의 향상
과학기술의 틀의 재구성
과학기술이 교육 내용, 틀, 방법, 수단에
영향 줌
지향할 방향:
=> Science-based Education
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융합과학과 학습과학 연결에서의
인지과학의 역할:
Cognitive Learning 연구
Cognitive Instruction 연구
Cognitive Engineering/ Technology
Brain-Based Learning
Interdisciplinary & Science based
approach to enhance Education
(Math., Science & Engineering Education 포함)
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배경
교육환경의 변화
학습과학의 국가 핵심과학기술로의 인정 및 연구
개발 지원 추진 -> 미국 NSF
ROLE: Research on Learning & Education
The Learning for the 21st Century Workforce
MSP: The Math & Science Partnership
ASL (Applying Science of Learning)
- OECD 보고서 (2002): Understanding the
Brain: Toward a new Learning Science.
2003. 06.28. 신경심리연구회
OECD 뇌기반 학습과학 보고서
'학습과학과 뇌연구(Learning Science
and the Brain Research)' 프로젝트
OECD의 교육혁신센터(CERI)에서
1999년부터 2002년까지 진행
2000. 6. 뉴욕. "뇌 기제와 초기학습”
2001. 2. 스페인 그라나다. "뇌 기제와
유년기 학습“
2001. 4. 도쿄. "성인들의 뇌 기제와 학
습“
2002년. "뇌의 이해: 신 학습과학을 향
해" 라는 주제의 보고서를 발표
2003. 06.28. 신경심리연구회
OECD 보고서 무얼 말하나
뇌과학의 기존 연구결과와 현재의 발전 속도를 감안
할때
인지심리학과 인지신경과학, 교육학, 컴퓨터 과학
등과 함께 인간의 '학습'의 기전을 밝혀 낼 새로운
뇌 기반 학습과학 연구와 응용의 가능성,
이러한 연구결과들을 교육 및 각종 인력 개발 정책의
기초로 삼을 것을 강하게 주장.
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NBIC 융합과학기술이
교육에 영향
과학교육의 새 틀, contents 제공
-
-
주제영역의 재구성
통합된 holistic view of nature 제공
교육을 위한 새로운 도구, 매체, 기술 제공
학생, 일반인의 인지적 performance 향상
<- 인지적 기술 증진
<- guided learning & cognition aid
교육과 기술의 연결/ 훈련 틀 제공
학습/교육 대상 수혜자 범위의 확장
-연령범위, 신체적-심리적 장애자, 산업기술자
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과학과 교육의 역할의 변화
교육
과학/기술
1950년대
이전
미래과학자의 교육
교육할 주제 영역 제공
(분할된 전통적 과학영역)
1950-60
년대
미래과학자의 교육 +
교육매체 활용
교육할 주제 영역 제공 +
교육 매체, 도구 제공
인지과학의
대두 이후
NBIC
융합과학시대
미래과학자 교육/
매체 활용/
학습교수지원시스템 활용
Science-Based
Education/ Learning
학생교육/학습지원시스템
활용/ 융합과학기술 영역
연결 trading zone/
NBIC 인지기술 test bed
학습할 주제 영역 제공 +
학습매체, 도구 제공 +
학습/교수 지원 시스템
제공 (예: CAI)
과학주제 재구성: 통합과학+
학습 과학 이론/원리 제공
(뇌기반 학습: BBL) +
학습인지기술 및 지원도구확장
=> Ubiquitous Learning+
학습자 범위(평생학습) 확장
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미래 인류
과학문명
사회
과학기술
효율적 학습
/교육 방법/
도구
과학교육
: 인간의 학습/인지 특성 및 이의 개선 관련
뇌 기반 학습과학 / 인지과학 기술
:효율적 학습/ 교육 지원 artifacts (환경) 디자인
이론 및 구현 C+ I +B+N 기술
: 효율적 Human-Machine-Human / 인간 집단적
커뮤니케이션 도구 및 시스템 NBIC 기술
: 효율적 주의/ 감각/ 기억/ 신체활동 지원 시스템
bioinfomatics + N+C 기술
인지과학
NBIC
융합과학기술
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국가 과학기술 인력 개발의 과제
• 조망:
미래과학기술의 지향점은 개개인의 Human Performance 증진.
이를 통한 각종 기초 및 응용과학기술 발전의 계속적 상승 도모
• 조망 달성 위한 추진방향:
융합과학기술 (Conv.Tech.) 개발
• 목표 달성 위한 세부과학기술:
• 목표달성 위한 선행 조건:
학습과학 (brain-based)
학습과학을 미래 기초과학기술 영역으로
제도적으로 인정
융합과학으로서의 학습과학기술 연구 개발 인프라 구축
• 창출효과:
학습과학 매개에 의한, 과학기술<->교육 시너지적 상승 효과
21세기의 융합과학적 학습과학 연구/응용 체제
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과학기술부
교육인적자원부
정보통신부,
외
산업자원부
학습과학연구센터
일반교육 연구기관
인지과학
교육학
심리학
사회학 등 타
인문사화과학
뇌과학
교육/
재훈련/
창의적 기술
컴퓨터과학
일반 학교 교육현장
일반 가정
일반 교육
기업체 및
산업 과학기술
연구소
과학고,
영재과학고,
대학 이공계 교육
과학기술 교육
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왜
학습과학 인가?
학습자 중심 교육으로!!
인지(정보처리)
뇌
혁명
혁명
☞
☞
☞
☞
학습자 인지 특성
인지/학습전략
문제해결 전략
메타인지
☞
☞
☞
☞
☞
☞
정서와 동기 강조
학습 환경
발달 뇌 특성
사회 뇌 특성
체험의 중요성 강조
개인 특성 강조
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뇌기반 학습과학의 활용
신 학습환경 디자인
교사 교육 프로그램
뇌기반
학습과학연구
학습에 관한
지식기반
구축
교육 정책 결정
미디어와 대중교육
실제교육현장
2003. 06.28. 신경심리연구회
뇌기반 학습과학 연구
어떻게 할까?
과학 교육 관련(1)
2003. 06.28. 신경심리연구회
21세기의 문화-과학기술의 새 변혁
우리는 이미
21세기의
문화-과학기술의 새 변혁, 즉
the “Leraning Revolution” 의
문턱을 넘어서고 있습니다.
2003. 06.28. 신경심리연구회
NBIC 융합과학기술 추진전략
Holistic 접근
1. 개인 – 한 개 이상의 영역 지식, 기술 습득;
타 분야와의 협동작업 기술 습득
2. 교육계: 통합적 틀에서의 과학기술 교육
융합과학기술 연구, 개발 상호작용 마당
3. 민간기관(기업): 다른 산업체, 기관과의 전
혀 새로운 partnerships 개발:
- 새 원리, 재료, 장치, 시스템 개발에 투자
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4. 정부: NBIC 융합과학기술 연구 개발에
최우선 순위부여 요망
- 기획, 연계, 조장, 지원에 선도적 역할
- 과학교육 체제 재구성
- 학습과학을 핵심 기초학문으로 조성
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NBIC 융합과학기술의
미래에 대한 의의
개인의 잠재력 능력을 최적으로 발휘하게 하는
사회의 도출 <- 과학기술 기반
인간 performance의 향상, 상승
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인간 진화의 새 방향 도출
•
•
•
기존의 진화:
• 자연적 진화 (생물적, 인지적 진화, 사회적 변화)
• <= 질병치료, 수명 연장
• 과학기술(인공물과 환경의 변화)
새로운 형태의 진화:
• 테크널러지 발전에 의한 인지, 신체 기능의 확장
자연적 진화와 과학기술에 의한 인간 진화의
공진화 (co-evolution)
인간 종 자체의 새로운 차원의 진화
2003. 06.28. 신경심리연구회
2nd Renaissance of
Science,
Technology,
and Humanity
through the Convergence of Sciences,
Technologies, and Culture.
2003. 06.28. 신경심리연구회
<Brain> -<Minds><Environments>
In the center of this exciting
synergistic futuristic enterprise,
stands the Cognitive Science,
as the principal pillar
- the integrative, innovative, multi-faced,
unifying and versatile mediator&
incubator !
2003. 06.28. 신경심리연구회
NBIC 융합과학기술에서의
인지과학
미래 새로운 형태의 과학기술사회의 핵심적 역할
다양한 가능성, Promising Future
그러나 무거운, 중요한 책임
모든 인간의 인지-신체적 기능을 최선의 수준과 형
태로 향상시키도록
새로운 공진화 coevolution를 도출한다는 것은
인류에 대한 인지과학도의 막중한 의무.
2003. 06.28. 신경심리연구회
뇌-마음 연구의 미래
학제적, 수렴적, 융합적 연구와 이해
심리학-인지과학-신경과학의 연구 공동체
인지신경 응용기술의 빠른 발전
<= 사회적 요구
Continously evolvinng 연구주제, 접근, 방법
진화적 관점의 도입
뇌(신체)와 인지(마음)/문화(인공물)의
공진화 – “Co-evolution”