Connectomic dopamine-neuron disinhibition accelerates behavioral extinction

동물들은 규칙이 끊임없이 변하는 세상에서 살아간다. 한때 먹이로 이어졌던 길이 갑자기 함정으로 이어질 수도 있고, 한때 안전을 알리던 소리가 이제는 위험을 알리는 신호가 될 수도 있다. 생존하기 위해 유기체는 두 가지 상충하는 필요 사이에서 균형을 잡아야 한다. 즉, 상황이 잘 풀릴 때 계속 시도하는 끈기와, 상황이 그렇지 않을 때 멈추고 경로를 바꾸는 유연성이다. 보상이 사라졌을 때 습관을 버리는 이 능력을 행동 소거(behavioral extinction)라고 부른다. 수십 년 동안 과학자들은 뇌 속의 특정 화학적 신호가 이 과정을 주도한다고 믿어 왔다. 그들은 동물이 보상을 기대했지만 받지 못했을 때, 보통 보상을 알리기 위해 활성화되는 도파민 뉴런이라는 세포 집단이 갑자기 침묵하게 된다고 생각했다. 이 침묵, 즉 일시적인 정지는 뇌가 "그만해, 더 이상 효과가 없어"라고 말하는 방식이라고 여겨졌다.

하지만 새로운 연구가 이 오랫동안 유지되어 온 견해에 도전한다. 연구진은 이러한 도파민 신호의 갑작스러운 정지가 동물이 보상이 사라졌음을 배우는 데 실제로 필요한 것인지 알고 싶었다. 이를 알아내기 위해 그들은 도파민 뉴런이 거주하는 뇌 심부의 작은 영역인 복측 피개 구역(ventral tegmental area)을 조사했다. 그들은 다른 뇌 세포들이 도파민 뉴런에 억제성 메시지를 보내는 데 사용하는 미세한 연결, 즉 시냅스에 주목했다. 이 억제성 메시지는 뉴런을 일시적으로 멈추게 하는 원인이 된다. 과학자들은 이 특정 연결을 약화시켜 "정지" 신호의 볼륨을 낮추는 정밀한 기술을 사용했다. 그들은 뉴론의 정상적이고 꾸준한 발화나 실제 보상이 도착할 때의 폭발적인 활동에는 영향을 주지 않으면서 이 작업을 수행했다.

결과는 놀라웠으며 기존의 표준 모델을 뒤집었다. 연구진이 억제성 연결을 약화시켰을 때, 도파민 뉴런은 보상이 누락되었을 때 더 이상 예전만큼 자주 멈추지 않았다. 기존 이론에 따르면, 이는 동물이 행동을 멈추는 것을 어렵게 만들어 더 이상 존재하지 않는 보상을 계속 쫓게 만들어야 했다. 그러나 정반대의 결과가 나타났다. 연결이 약화된 동물들은 빈 신호에 반응하는 것을 평소보다 훨씬 더 빠르게 멈추는 법을 배웠다. 이 개입은 소거 과정을 가속화했다. 이 발견은 억제성 입력(정지를 유발하는 것)이 정상적으로는 동물이 너무 빨리 포기하지 않도록 붙잡아두는 역할을 한다는 점을 시사한다. 그것들은 학습 과정에 브레이크를 걸어, 단 한 번의 예상된 보상 실패 때문에 확립된 습관이 너무 성급하게 버려지지 않도록 보장한다.

연구는 또한 이 변화가 단순한 일반적 혼란인지 아니면 학습에 대한 특정한 효과인지 확인했다. 동물들은 여로 보상을 예측하는 새로운 신호들에 대해 여전히 배울 수 있었으며, 이는 그들의 학습 능력이 온전함을 보여주었다. 연구진은 실시간으로 도파민 수치를 관찰하는 방법을 사용했고, 개입이 보상이 없을 때 흔히 발생하는 도파민의 급감(dips)을 줄였다는 것을 확인했다. 그들은 이 급감이 사라지는 속도가 동물이 행동을 멈추는 속도를 예측한다는 것을 발견했다. 증거는 억제성 입력에 의해 생성되는 정지가 소거의 엔진이 아니라, 오히려 끈기를 유지하는 메커니즘임을 나타낸다. 이 시스템은 아마도 결과가 변동할 때 유용한 연관성을 성급하게 버리는 것으로부터 뇌를 보호하여, 동물이 전략을 바꾸기로 결정하기 전까지 몇 번의 놓친 보상을 견뎌낼 수 있도록 해줄 것이다.