정신물리학과 신호탐지이론

 감각 경로에서 중요한 단계는 신경흥분과 행동 사이에서 일어나는 사건들이다. 이것에 관한 연구로 물리적 자극 특성과 심리적 경험 특히 감각 경험 간의 관계를 다루는 학문이 바로 정신물리학이다. 정신물리학은 환경에서 일어나는 자극 탐지의 변별 및 수량화되는 물리적 에너지와 감각 경험 간의 관계를 수치화하는 것이 목적이다. 여기서 수치화란 감각 반응을 쉽게 해석할 수 있는 점수형태(등급이나 함수관계 등)로 바꾸는 것을 말한다. 

 

- 절대역

 유기체의 수용기를 흥분시켜 물리적 에너지를 탐지하도록 하려면 최소한의 에너지가 있어야 한다. 이 최소한의 물리적 에너지 수준을 절대역(absolute thresholods)이라고 한다. 수용기 민감도는 여러 원인 때문에 다소 불규칙적으로 변한다. 따라서 절대역은 유기체의 반응을 여러 번 측정해서 정하게 된다. 일반적으로 절대역은 여러 크기의 무리적 에너지들을 100번씩 제시해서 50번(50%)탐지할 수 있는 크기로 정한다. 

 시각의 경우 절대역을 구름이 끼지 않은 캄캄한 밤에 300m 떨어진 거리에 놓여 있는 촛불을 탐지해 내는 것이라고 정하였다면, 절대역이란 100번 중 50번 촛불을 볼 수 있는 물리적 강도를 말한다. 따라서 절대역은 이름과는 다르게 사람마다 다를 수 있다. 절대역이 상대적으로 낮은 사람은 더 예민한 감각 기관을 가지고 있는 것이다. 

 

- 변별과 차이역

 자극 간에 차이가 있다는 것을 알아차릴 수 있는, 즉 변별할 수 있는 최소한의 에너지 차리를 차이역(difference thresholds)이라고 한다. 1800년대 중반 독일의 생리학자였던 Weber는 물리적 자극의 크기와 차이역 간의 관계를 발견하였다. 

 사람들은 약한 자극의 경우 물리적 에너지가 조금만 증가해도 그 변화를 쉽게 파악하는 반면, 강한 자극의 경우에는 비교적 많이 증가해야만 변화를 파악할 수 있었다. Weber가 발견한 법칙에 따르면 최소 차이역을 얻는 데 필요한 자극의 양은 한 자극 크기의 일정한 비율로 증가한다.

 

Weber, Fechner 및 Stevens의 연구들은 물리적 세계와 심리적 세계를 연결해 주는 근본 법칙이 있음을 보여 주었다. 이 연구들은 신경계가 물리적 자극들을 처리할 때 절대적 크기보다는 상대적 크기로 자극들을 분석함을 시사하고 있다. 따라서 신경계에서 일어나는 정보처리를 제대로 살펴보기 위해서는 자극 자체도 중요하지만 자극들 간의 상대적 관계를 더욱 세밀하게 살펴볼 필요가 있다. 

 

Weber, Fechner 그리고 Stevens는 주로 차이역에 관해서 연구하였다. 최근 심리학자들은 차이역과 함께 다시 절대역에 대해 관심을 보이기 시작했다. 그 이유는 기계를 통해 문명을 구축해 가고 있는 현대사회에서 레이더와 같이 수많은 방해자극 속에서 미세한 자극을 탐지해 내야 하는 압력이 커지고 있기 때문이다. 

 신호탐지이론에서는 최소 자극의 탐지에 영향을 주는 방해자극 판단 경향 등을 고려한다. 신호탐지이론은 고정된 물리적 크기라는 의미의 절대역 개념을 버리고 신호 자극에 대한 개념을 '탐지를 방해하는 자극들(noise) 중에서 보통 정도로 탐지되는 것'이라는 새로운 가정을 세웠다. 예를 들어, 시끄러운 버스 정류장에서 안내 방송을 듣는 상황을 생각해보자. 버스 정류장의 소음은 커졌다가 작아졌다 하기 때문에 안내 방송을 쉽게 듣기도 하지만 듣지 못할 수도 있다. 원하는 신호를 탐지해 낼 수도 있지만 못할 수도 있다는 것(신호가 있는데 인식하지 못하거나, 신호가 없는데 신호가 왔다고 인식하는 경우 등) 이다.  

 

신호탐지이론은 절대역 주변의 신호에 대해서 유기체가 방해자극들을 고려한 나름의 결정 기준을 토대로 반응한다는 이론이다. 절대역 주변의 자극들을 판단할 때 사람들의 반응은 다음 4가지 범주로 구분된다. 

 첫째, 목표 자극, 즉 신호가 제시되었을 때 정확히 탐지하는 반응이다. 

 둘째, 목표 자극이 제시되지 않았는데도 자극을 탐지했다고 보고하는 경우이다. 

 셋째, 목표 자극이 제시되지 않았을 때 제시되지 않았다고 보고하는 것이다. 

 넷째, 목표 자극이 제시되었는데도 방해자극이라고 생각하고 자극이 제시되지 않았다고 보고하는 것이다. 

 이 반응 중 중요한 것은 적중률과 거짓 정보율이다. 두 사람이 같은 적중률을 보였더라도 거짓 정보율이 더 작은 사람이 보다 제대로 반응한 것이다. 

 

 신호탐지이론에서는 4가지 범주의 반응 비율이 대체로 크게 3가지 요인에 의해서 결정된다고 본다. 신호탐지의 정확도를 결정하는 요인은, 첫째, 신호와 방해자극 간의 관계라고 보았다. 예를 들어, 방해자극이 많아지면 거짓 경보와 실수가 많아진다. 둘째, 개인에 따라서 신호에 대한 민감도가 다르다는 것이다. 예를 들어, 시력이 좋은 사람은 나쁜 사람에 비해 시각 자극을 훨씬 더 정확히 탐지할 수 있다. 셋째, 개인의 반응 기준이 앞에서 언급한 4가지 범주의 반응 비율을 결정한다는 것이다. 만약 어떤 사람이 매우 엄격한 판단 기준을 가지고 있다면 확신하는 경우에만 자극을 보았다고 보고할 것이다. 이러한 사람은 기준이 엄격하기 때문에 거짓 경보 반응은 거의 하지 않을 수 있다. 하지만 목표자극을 더 많이 놓칠 수도 있다. 

 신호탐지이론은 이처럼 감각 민감도와 비감각적 요인들을 분리하는 데 성공함으로써 전통적인 정신물리학이 풀지 못한 문제들을 해결하는 데 기여하였다. 신호탐지이론이 제안한 대로 사람들의 반응 경향성을 분석한 결과, 감각처리 단계와 판단 과정 단계에 각기 다른 요인이 영향을 미치고 있음이 드러났다. 신호탐지이론의 중요성은 지각 과정에서 판단 과정의 특성과 이것에 영향을 주는 요인들을 구별하여 살펴보는 데 있다.