멈춘 에스컬레이터에 올라타면 왜 휘청할까? 뇌의 예측이 들통나는 순간

분명히 멈춰 있다. 눈으로 확인했고, 머리로도 안다. 그런데 첫발을 올리는 순간 몸이 어색하게 앞으로 쏠린다. 방금까지 정상 작동하던 보행 프로그램에 누가 잘못된 값을 넣은 느낌이다.

이 기묘함에는 실제 연구 이름이 있다. 고장 난 에스컬레이터 현상(broken escalator phenomenon). 2003년 R. F. Reynolds와 A. M. Bronstein은 이 느낌을 실험실로 가져왔다. 과학 덕후에게 반가운 부분은 이제부터다. 연구진은 사람들이 이상하다고 말하는 데서 멈추지 않고, 걷는 속도와 몸통 움직임, 근육의 전기 신호까지 기록했다.

Hutatma Chowk역의 에스컬레이터와 계단. 현상을 설명하기 위한 일반 자료 사진이며, 정지 상태나 연구 장비를 보여 주는 사진은 아니다. 사진: Historical Trains / Wikimedia Commons, CC0. 축소·재압축.

1. 뇌를 속이는 데 거창한 가상현실은 필요 없었다

2003년 실험에는 건강한 참가자 14명과 직선으로 움직이는 발판이 등장한다. 실험 순서는 정지 → 움직임 → 다시 정지. 처음에는 멈춘 발판에 걸어 올라가고, 다음에는 초속 1.2m로 움직이는 발판에 20회 올라가며 적응한다.

마지막에는 발판을 다시 멈춘다. 중요한 것은 참가자를 몰래 속이지 않았다는 점이다. 연구진은 이제 발판이 움직이지 않을 것이라고 명확히 알려 줬다. 따라서 이 실험의 질문은 예상 못 한 정지에 놀라는가가 아니다. 정지를 알고도 이전의 운동 적응이 튀어나오는가다.

2. 머리는 업데이트됐는데 걸음에는 이전 설정이 남았다

보고된 접근 보행 속도는 처음 정지 조건에서 0.60m/s, 움직이는 조건에서 0.90m/s, 다시 정지한 뒤에는 0.71m/s였다. 마지막 수치는 원래보다 약 18% 높다. 단순 계산으로 (0.71−0.60)/0.60 ≈ 0.18이다. 모든 사람의 일상 보행에 적용되는 상수가 아니라 이 실험에서 보고된 값이다.

몸통이 앞으로 과하게 쏠리고 다리 근육의 활동도 증가했다. 다수의 운동 지표는 두 번째 시도에 기저 수준으로 돌아왔다. 연구진은 이를 움직이는 발판에 적응한 뒤 남는 운동 후효과(motor aftereffect)로 해석했다. 지식과 행동이 순간적으로 어긋나는 것이다. [1]

3. 피드백만 기다리면 늦으니까, 몸은 먼저 준비한다

제어공학식으로 보면 흥미로운 구분이 생긴다. 이미 생긴 오차를 감지해 고치는 것이 피드백이라면, 예상되는 상황에 맞춰 미리 움직임을 준비하는 것은 예측적 제어다. 보행을 설명할 때도 이 구분이 유용하다.

비유하자면 운동계가 불러오는 함수에 platform_will_move = true라는 이전 설정이 잠깐 남은 셈이다. 물론 뇌 안에 그런 코드가 있다는 뜻은 아니다. 말로 아는 사실이 바뀌었다고 해서 학습된 운동 출력까지 즉시 덮어써지는 것은 아니라는 점을 표현한 비유다. 이 현상만으로 특정 뇌 부위 하나가 범인이라고 결론 내릴 수도 없다.

4. “빨리 걸었으니 관성 때문에 쏠렸겠지?”라는 반론

여기서 물리 덕후가 손을 들 수 있다. 접근 속도가 빨라졌다면 몸통이 더 앞으로 가는 건 당연하지 않은가? 굳이 별도의 자세 적응을 이야기해야 할까? 꽤 좋은 반론이다. 2013년 Tang 등의 연구가 바로 이 문제를 시험했다.

연구진은 건강한 젊은 성인 48명을 대상으로, 적응 이후 걷는 속도를 느리게 하거나 처음 수준에 맞추는 등 조건을 나눴다. 결과는 접근 속도가 처음과 다르지 않을 때도 후효과가 남는다는 것이었다. 속도가 영향을 줄 수는 있지만, 그것만으로 몸통의 쏠림을 설명할 수 없었다. 저자들은 발판이 움직일 상황에 대비한 선제적 자세 조정이 작용하는 것으로 해석했다. [2]

5. 몸의 기억은 의외로 장소와 동작을 가린다

그렇다면 한 번 적응한 뒤에는 어디서나 휘청할까? 2004년 Reynolds와 Bronstein의 후속 논문은 조건을 하나씩 바꿨다. 출발 신호를 소리에서 빛으로 바꿔도 후효과의 크기는 달라지지 않았다. 반면 첫발을 내딛는 다리를 바꾸면 몸통 흔들림이 약 절반으로 감소했다.

앞으로 걷는 대신 뒤로 걷거나 다른 위치에서 걸을 때는 후효과가 나타나지 않았고, 원래 동작과 위치로 돌아오면 다시 나타났다. 단순히 몸 전체에 관성이 남았다는 설명보다, 특정 상황에서 특정 행동을 할 때 불려 나오는 적응이라는 설명에 힘을 싣는 결과다. [3]

6. 반복 학습이라고 꼭 수백 번 연습해야 할까?

첫 연구에서는 움직이는 발판에 20회 올라갔다. 여기서 20번은 필요한 최소 횟수와 다르다. 실험자가 선택한 절차를 곧바로 생물학적 한계로 읽으면 안 된다. 몇 번이면 충분한지는 별도 실험으로 확인해야 한다.

2006년 Bunday 등의 연구는 바로 그 횟수를 물었다. 이 실험적 보행 후효과는 한두 번의 적응 시도만으로도 유발될 수 있었다. 오래 몸에 밴 습관만 이런 일을 만든다고 생각하기 쉽지만, 운동계의 보정은 놀랄 만큼 빠를 수 있다. 다만 실험실의 결과가 모든 사람이 모든 멈춘 에스컬레이터에서 똑같이 반응한다는 뜻은 아니다. [4]

7. 휘청함은 예측 장치의 존재를 드러내는 흔적이다

이 연구들이 재미있는 이유는 일상의 어색함을 측정 가능한 질문으로 바꿨기 때문이다. 정말 몰라서 그랬나? 속도가 원인인가? 출발 신호를 바꾸면? 다리와 위치를 바꾸면? 설명을 하나 세운 다음, 그 설명이 버티기 어려운 조건을 만들어 본다.

멈춘 에스컬레이터 앞에서의 어색한 한 걸음은, 우리가 매 순간 눈앞의 정보만으로 새로 걷는 존재가 아니라는 사실을 보여 준다. 이전 경험으로 미리 준비한 움직임이 평소에는 도움이 되다가, 환경이 바뀌는 순간 잠깐 드러나는 것이다. 일종의 운동 제어 디버그 로그처럼.

여러분도 머리로는 아는데 몸이 먼저 다른 반응을 보인 경험이 있나요? 무거울 줄 알고 든 상자가 너무 가벼워 팔이 확 올라간 순간처럼요. 비슷한 느낌을 나눠 보되, 같은 느낌이라고 모두 같은 메커니즘인지는 따로 확인해야 합니다. 위 실험은 통제된 실험실 연구이며, 실제 에스컬레이터에서 뒤로 걷는 식으로 따라 할 실험은 아닙니다.

덕후를 위한 원문 좌표

1. Reynolds & Bronstein (2003). The broken escalator phenomenon. Aftereffect of walking onto a moving platform. Experimental Brain Research. DOI: 10.1007/s00221-003-1444-2.
2. Tang 외 (2013). The effect of gait approach velocity on the broken escalator phenomenon. Experimental Brain Research. DOI: 10.1007/s00221-013-3438-z.
3. Reynolds & Bronstein (2004). The moving platform aftereffect: limited generalization of a locomotor adaptation. Journal of Neurophysiology. DOI: 10.1152/jn.00495.2003.
4. Bunday 외 (2006). The effect of trial number on the emergence of the broken escalator locomotor aftereffect.

사진 출처: Historical Trains / Wikimedia Commons, CC0. 축소·JPEG 재압축.