Rapid spatial cognition in mice, with and without neocortex and hippocampus
이 연구는 신피질과 해마가 모두 결여된 생쥐가 복잡한 3차원 공간 탐색 과제를 빠르게 학습하고, 일반화하며, 유지할 수 있음을 입증하며, 이는 이러한 정교한 인지 능력이 반드시 이 뇌 구조들에 의존하는 것은 아님을 나타낸다.
원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. 이것은 동료 심사를 거치지 않은 프리프린트의 AI 생성 설명입니다. 의학적 조언이 아닙니다. 이 내용을 바탕으로 건강 관련 결정을 내리지 마세요. 전체 면책 조항 읽기
동물이 새로운 세상에서 길을 찾는 법을 어떻게 배우는지 이해하기 위해, 과학자들은 오랫동안 뇌의 두 특정 부분인 해마와 신피질에 주목해 왔습니다. 해마는 흔히 뇌의 내부 지도 제작자로 여겨지며, 생명체가 자신이 어디에 있었고 어디로 가야 하는지를 기억하도록 돕습니다. 뇌의 가장 바깥층인 신피질은 복잡한 사고를 처리하여 동물이 규칙을 파악하고 새로운 상황에 적응할 수 있게 한다고 믿어집니다. 수십 년 동안 지배적인 견해는, 단 몇 번의 시도만으로 문제를 해결하는 능력인 '빠른 학습'을 위해서는 이 두 가지 정교한 구조가 필요하다는 것이었습니다. 만약 동물이 이 구조들을 갖추지 못했다면, 그 동물은 주변 환경에 대한 정신적 지도를 형성하거나 성공적인 경로를 기억하지 못한 채 시행착오의 굴레에 갇혀 있을 것이라고 가정되었습니다. 이러한 생각은 빠른 사고가 복잡한 뇌의 사치라는 점을 시사하며 지능을 이해하는 방식을 형성해 왔습니다.
하지만 한 새로운 연구는 매우 단순한 질문을 던짐으로써 이 오래된 믿음에 도전합니다. "우리가 학습에 필수적이라고 생각하는 바로 그 부분들을 제거하면 어떤 일이 벌어질까?" 캘리포니아 공과대학교(Caltech)의 연구진은 쥐가 탐색할 수 있도록 복잡한 3차원 미로를 설계했는데, 이는 도시의 거리처럼 격자 구조로 되어 있으면서 여러 층으로 쌓여 있는 형태였습니다. 그런 다음 연구진은 신피질이나 해마 없이 태어난 쥐들을 대상으로 테스트를 진행했습니다. '무피질 쥐(acortical mice)'로 알려진 이 동물들은 오직 더 오래되고 깊은 곳에 위치한 뇌 부위만을 가지고 있습니다. 연구의 목표는 이 쥐들이 미로를 학습하고, 해답을 기억하며, 학습한 내용을 새로운 버전의 퍼즐에 적용할 수 있는지 확인하는 것이었습니다. 연구 결과는 뇌의 빠른 학습 능력이 우리가 한때 필수적이라고 생각했던 구조들에 엄격하게 의존하지 않는다는 사실을 밝혀냈습니다.
연구진은 '맨해튼 미로(Manhattan Maze)'라고 불리는 미로를 만들었는데, 이는 두 층의 통로로 구성된 재구성 가능한 미궁입니다. 바닥에는 수평 터널 격자가 있고, 그 위에는 구멍이 뚫린 플라스틱 판으로 분리된 수직 터널 격자가 층층이 쌓여 있다고 상상해 보십시오. 이 판을 교체함으로써 연구진은 물리적인 미로를 움직이지 않고도 수천 가지의 고유한 레이아웃을 즉각적으로 만들어낼 수 있었습니다. 쥐들은 물 보상이 두 개의 특정 포트(하나는 '홈' 쪽 끝, 다른 하나는 '아웃' 쪽 끝)에 있다는 것을 배우기 위해 단순한 버전부터 시작했습니다. 쥐들은 물을 마시기 위해 이 포트들을 왔다 갔다 해야 했습니다. 이 기본적인 루틴을 숙달하자, 연구진은 9번의 올바른 회전이 필요한 길고 구불구불한 경로가 포함된 복잡한 미로를 도입했습니다.
일반적인 쥐들은 이 경로를 놀라 만큼 빠르게 학습했습니다. 불과 몇 시간 만에, 그리고 단 몇 번의 보상을 받은 후에, 쥐들은 목적 없이 배회하는 것을 멈추고 직접적인 경로를 택하기 시작했습니다. 쥐들은 단순히 하나의 회전 순서를 암기한 것이 아니라, 뒤로 돌아가지 않고 앞으로 나아가는 일반적인 규칙을 배웠으며, 이 기술을 다음 날 새로운 미로 구성에도 적용할 수 있었습니다. 또한 이들은 몇 주 동안 해결책을 기억하는 능력도 보여주었습니다. 가장 놀라운 점은, 쥐들이 특정 결정 지점이 보상으로부터 공간적으로나 시간적으로 멀리 떨어져 있더라도, 그 결정이 가장 중요하다는 것을 파악할 수 있었다는 것입니다. 이렇게 먼 곳의 선택에 가치를 부여하는 능력은 정교한 학습의 특징입니다.
그 후 연구진은 신피질과 해마가 없는 쥐들에게 주의를 돌렸습니다. 처음에는 이 동물들이 어려움을 겪었습니다. 이들은 미로를 비효율적으로 탐색하며 같은 통로를 왔다 갔다 했고, 일반적인 쥐들보다 물을 찾는 데 훨씬 더 오랜 시간이 걸렸습니다. 이들은 초기 탐색 단계에서 공간에 대한 정신적 지도를 구축하지 못하는 것처럼 보였습니다. 그러나 마침내 보상을 발견하고 학습을 시작하자, 놀라운 일이 일어났습니다. 무피질 쥐들은 일반 쥐들만큼이나 빠르게 발전했습니다. 이들은 직접적인 경로를 타는 법을 배웠고, 며칠 또는 몇 주 동안 경로를 기억했으며, 새로운 미로 레이아웃에도 지식을 일반화할 수 있었습니다. 심지어 이들은 복잡한 미로에서 결정적인 결정 지점을 찾아내어, 보상으로부터 멀리 떨어진 곳에서의 선택에 가치를 부여할 수 있음을 보여주었습니다.
이 연구는 무피질 쥐들의 지연이 학습의 실패가 아니라 탐색의 실패였음을 시사합니다. 높은 뇌 구조가 없는 상태에서는 보상을 찾기 전까지 정보를 수집하는 효율성이 떨어졌던 것입니다. 하지만 첫 번째 정보 조각을 얻고 나면, 이들의 남은 뇌 회로는 정보를 처리하고, 기억을 형성하며, 이를 이용해 길을 찾는 데 충분한 능력을 갖추고 있었습니다. 연구진은 다양한 학습 알고리즘이 이러한 행동을 어떻게 설명할 수 있는지 테스트하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했습니다. 연구진은 환경의 지도를 구축하는 모델이 쥐들의 빠른 성공을 설명할 수 있는 반면, 순수한 시행착오 기반의 강화 학습 모델은 이를 설명할 수 없다는 것을 발견했습니다. 이는 하부 뇌(subcortical brain), 즉 더 오래된 뇌 부분이 인지 지도를 구축하고 아주 적은 경험만으로도 학습할 수 있는 능력이 있음을 뒷받사합니다.
이 발견은 뇌의 어디에 지능이 거주하는지에 대한 우리의 이해를 재편합니다. 이는 빠르게 학습하고, 경로를 기억하며, 새로운 상황에 적응하는 능력이 신피질과 해마의 독점적 영역이 아님을 보여줍니다. 이러한 기능들은 동물이 탐색하고 보상을 찾을 기회만 주어진다면, 더 깊고 오래된 뇌 부위로부터 발현될 수 있습니다. 이 연구는 신피질과 해마가 쓸모없다고 주장하는 것이 아닙니다. 오히려 이 맥락에서 그들의 주요 역할은 학습 그 자체의 유일한 근원이 되기보다는, 초기 탐색과 정보 조직화를 용이하게 하는 것일 수 있음을 시사합니다. 뇌의 빠른 공간 학습 능력은 이전에 생각했던 것보다 더 근본적이고 광범위한 특성으로 나타나며, 이는 포유류의 복잡한 외층이 진화하기 훨씬 전부터 존재해 온 회로들에 자리 잡고 있습니다.
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