Higher rewards lead to more accurate flower detection and increased contrast sensitivity in the bumblebee Bombus terrestris

동물들은 끊임없이 쏟아지는 감각 정보의 홍수에 노출되어 있습니다. 단 한 순간에도 나뭇잎의 바스락거림, 비의 향기, 포식자의 번뜩임, 그리고 멀리 떨어진 꽃의 색깔이 공존합니다. 생존을 위해 생명체는 모든 세부 사항을 한꺼번에 처리할 수 없기에, 소음을 걸러내고 중요한 것에 집중해야 합니다. 동물계에서 이러한 여과 과정을 '주의(attention)'라고 부릅니다. 과학자들은 일반적으로 주의를 두 가지 유형으로 나눕니다. 첫 번째는 빛의 번쩍임처럼 눈을 즉각적으로 사로잡는 갑작스럽거나 밝은 것에 대한 반사적 반응입니다. 두 번째는 동물이 자신이 가치 있다고 학습한 것에 따라 감각을 집중하는, 보다 의도적이고 내부적인 과정입니다. 만약 새가 특정 종류의 열매가 가장 달콤하다는 것을 안다면, 그 새는 설령 열매가 그림자 속에 숨겨져 있더라도 그 열매를 더 쉽게 포착하기 위해 시각을 조율할 수 있습니다. 과거의 보상을 이용해 현재의 지각을 날카롭게 만드는 이 능력은 인간과 다른 척추동물들에게서 잘 입증되어 있지만, 아주 작은 뇌를 가진 곤충들도 이와 유사한 인지 도구를 보유하고 있는지는 미스터리로 남아 있었습니다.

한 연구팀은 이 질문에 답하기 위해 뒤범벅벌레(bumblebee)인 Bombus terrestris를 연구하며 이 문제를 파헤쳤습니다. 그들은 이 곤충들이 좋은 식사의 기억을 사용하여 시각을 날카롭게 할 수 있는지, 즉 최상의 꽃을 찾기 위해 주변 세계의 '대비(contrast)'를 효과적으로 높일 수 있는지 확인하고자 했습니다. 이를 테스트하기 위해, 연구진은 벌들이 숨겨진 당분 보상을 찾아야 하는 통제된 채집 경기장을 구축했습니다. 실험 설정은 꽃을 나타내는 초록색 원들이 컴퓨터 화면에 표시되는 방식이었습니다. 화면 아래에는 벌들이 당분을 섭취하기 위해 착륙할 수 있는 작은 플랫폼들을 배치했습니다. 이 실험은 단순하지만 강력한 변수인 '보상의 질'에 의존했습니다. 한 그룹의 벌들은 풍부하고 고농도의 설탕 용액을 제공하는 목표물을 찾도록 훈련받은 반면, 두 번째 그룹은 훨씬 약하고 만족감이 낮은 설탕 혼합물을 제공하는 목표물에 훈련받았습니다. 연구진은 높은 보상을 기대하는 벌들이 더 높은 동기 부여를 받을 것이며, 만약 그들에게 상향식 주의(top-down attention)가 있다면 이 동기 부여가 그들의 시각을 더 날카롭게 만들어, 이미지가 희미하거나 대비가 낮을 때도 목표물을 더 잘 포착하게 할 것이라고 추론했습니다.

결과는 벌들의 기대가 실제로 그들이 세상을 보는 방식을 변화시킨다는 것을 확인해주었습니다. 목표물이 화면에 매우 낮은 대비로 제시되어 어두운 배경과 구별하기 어려웠을 때, 고농도 설탕 용액에 훈련받았던 벌들이 훨씬 더 뛰어난 성과를 보였습니다. 이들은 약한 설탕에 훈련받은 벌들보다 더 자주 정확한 위치를 선택했고, 더 빠르게 찾아냈습니다. 연구진은 벌들이 더 이상 목표물을 볼 수 없게 되는 정확한 지점, 즉 '대비 임계값(contrast threshold)'을 측정했습니다. 그 결과, 고보상 그룹은 저보상 그룹보다 훨씬 낮은 가시성 수준에서도 목표를 감지할 수 있음을 발견했습니다. 이는 벌들이 단순히 더 열심히 노력하는 것이 아니라, 마치 카메라가 저조도 환경에서 감도를 높이는 것처럼, 가치 있는 목표물이 더 뚜렷하게 드러나도록 뇌가 능동적으로 시각적 민감도를 조절하고 있음을 시사합니다.

또한 이 연구는 환경적 스트레스 요인이 이러한 섬세한 인지 과정을 어떻게 방해하는지도 탐구했습니다. 연구진은 실험을 반복하면서, 이번에는 흔한 농약인 이미다클로프리드(imidacloprid)를 설탕 용액에 녹여 넣었습니다. 이 화학 물질은 곤충의 신경계에 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다. 결과에 따르면, 농약에 노출된 벌들은 고보상 그룹이든 저보상 그룹이든 상관없이 목표를 찾는 정확도가 떨어졌습니다. 그러나 동기 부여 효과와 달리, 농약은 동일한 방식으로 반응 속도를 늦추지는 않는 것으로 보였습니다. 연구진은 이 농약이 벌들이 주의를 조율할 수 있게 해주는 특정 신경 경로를 방해하거나, 혹은 단순히 전반적인 채집 의욕을 감소시키는 것일 수 있다고 제안합니다. 화학 물질이 벌들이 학습된 보상을 이용해 시각을 날카롭게 만드는 능력을 방해한다는 사실은 그들의 인지 체계가 지닌 취약성을 극명히 보여줍니다.

궁극적으로 이 연구는 뒤범벅벌레가 인간 및 다른 척추동물에서 발견되는 상향식 주의와 유사한 인지 기제를 가지고 있다는 강력한 증거를 제공합니다. 이것은 단순히 밝은 색에 대한 반사가 아니라, 뇌가 보상의 가치를 이용하여 지각을 강화하는 학습된 전략입니다. 벌이 어떤 꽃이 노력할 가치가 있다는 것을 알게 되면, 그 벌의 뇌는 그 꽃을 더 명확하게 볼 수 있도록 돕습니다. 이 연구는 또한 인간이 만든 화학 물질이 이러한 정교한 능력을 퇴화시켜, 잠재적으로 벌들이 생존에 필요한 먹이를 찾는 것을 더 어렵게 만들 수 있다는 경고의 메시지를 담고 있습니다. 아주 작은 곤충이 자신의 기억을 사용하여 세상을 보는 방식을 바꿀 수 있다는 것을 보여줌으로써, 이 연구는 곤충의 정신에 대한 이해를 넓히고 이를 뒷받받는 시스템의 취약성을 깊이 있게 조명하고 있습니다.