Basolateral amygdala dopamine signals behavioural salience across exploration and learning
이 연구는 자유롭게 움직이는 마우스의 기저외측 편도체에서 도파민 방출이 자기 주도적 탐색 중에 높아지고, 경험에 따라 적응하며, 예측 신호의 행동적 관련성을 추적하여 가소성을 위한 회로를 준비시키는 상태 의존적 현저성 신호를 인코딩한다는 것을 입증한다.
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모든 동물은 새로운 자원을 찾아 나서려는 욕구와 숨겨진 위험으로부터 안전을 유지하려는 필요성이라는 두 가지 상반된 충동 사이에서 끊임없는 협상 상태 속에 살아간다. 생존을 위해 생명체는 단순히 눈앞에 놓인 것에 반응하는 것만으로는 부족하며, 자신의 세계에 대한 정보를 수집하여 다음에 어떤 일이 일어날지 예측하는 데 도움이 되는 정신적 지도를 구축해야 한다. 탐험이라고 알려진 이러한 능동적인 정보 수집 과정은 직접적인 보상이나 처벌로부터 배우는 것만큼이나 필수적이다. 수십 년 동안 과학자들은 뇌 속의 특정 화학적 전령인 도파민이 동물이 좋거나 나쁜 경험을 할 때 학습 신호로서 작용한다는 것을 이해해 왔다. 그러나 한 가지 중요한 질문이 해결되지 않은 채 남아 있었다. 동물이 보상이나 위협이 나타나기도 전에 단순히 탐험하며 정보를 수집하고 있을 때, 이 화학적 신호에는 어떤 일이 벌어지는가? 뇌는 오직 보상을 얻었을 때만 이 신호를 방출하는가, 아니면 조용하고 호기심 어린 조사 단계에서도 이 신호를 발사하는가?
독일 본에 위치한 독일 신경퇴행성 질환 센터의 연구팀은 쥐들이 자신의 세계를 자유롭게 움직이는 모습을 관찰함으로써 이 질문에 명확한 답을 제시했다. 실시간으로 화학적 활동을 볼 수 있는 정교한 기술을 사용한 연구진은 뇌 깊숙한 곳에 위치한 아몬드 모양의 작은 영역인 기저외측 편도체(basaltolateral amygdala)에 주목했다. 이 영역은 감정을 처리하고 연합 학습을 하는 것으로 잘 알려져 있지만, 능동적이고 자기 주도적인 정보 탐색에서의 역할은 덜 알려져 있었다. 과학자들은 도파민이 방출될 때 빛을 내는 형광 센서와 연결된 미세한 광섬유를 쥐에게 장착했다. 그런 다음 열린 경로와 닫힌 경로가 있는 미로, 혹은 물체나 다른 쥐를 조사할 수 있는 개방된 구역 등 다양한 환경에서 쥐들을 관찰했다.
연구진이 발견한 것은 이 특정 뇌 영역의 도파민이 단순히 보상을 기다리기만 하는 것이 아니라는 점이었다. 대신, 도파민은 쥐가 스스로 시작한 탐험에 참여할 때마다 급증했다. 쥐가 안전하고 폐쇄된 공간에서 더 노출된 미로의 개방된 구역으로 자발적으로 이동했을 때(이는 계산된 위험을 수반하는 행동이다), 편도체의 도파민 수치는 급격히 상승했다. 이 스파이크는 쥐가 특정 물체나 위협을 마주하기도 전에 발생했다. 또한 쥐가 움직임을 멈추고 땅의 냄새를 맡거나 주변을 살피는 행동, 즉 정지 상태의 조사(stationary investigation)를 할 때도 신호는 강하게 나타났다. 결정적으로, 연구진은 이 화학적 방출이 단순히 쥐가 움직이는 속도가 빨라지거나 느려짐에 따른 부산물이 아님을 보여주었다. 동물들이 동일한 속도로 움직일 때조차, 도파민 신호는 능동적으로 탐색할 때만 높았고 목적 없이 단순히 멈추거나 움직일 때는 낮았다. 이는 뇌가 호기심과 정보 탐색의 순간을 표시하기 위해 특별히 도파민을 방출하며, 효과적으로 나머지 뇌에 "주의를 기울여라, 여기서 새로운 일이 일어나고 있다"라고 말하고 있음을 시사한다.
이 연구는 동물이 학습함에 따라 이 시스템이 어떻게 적응하는지도 밝혀냈다. 쥐들이 새로운 물체를 조사하도록 허용되었을 때, 처음 몇 차례의 근접 접촉 동안 도파민 수치는 높게 나타났다. 그러나 쥐가 동일한 물체를 반복해서 보게 되고 그것이 새로운 정보나 위험을 담고 있지 않다는 것을 깨닫자, 도파민 반응은 점차 사라졌다. 이는 화학적 신호가 동물이 경험하는 것의 참신함과 관련성을 추적한다는 것을 나타낸다. 연구진은 이 관찰을 더 발전시켜, 쥐들에게 가벼운 무해한 전기 충격을 예고하는 특정 소리에 공포를 느끼도록 훈련시켰다. 연구진은 쥐들이 이 연결 고리를 학습한 후에는 그 소리만으로도 편도체에서 강력한 도파민 방출이 유발된다는 것을 발견했다. 하지만 소리가 반복적으로 재생되었음에도 충격이 따르지 않자, 쥐들이 위험이 사라졌음을 학습함에 따라 소리에 대한 도파민 반응도 점차 사라졌다. 이 패턴은 뇌가 예측을 업데이트하는 방식을 반영한다. 즉, 화학적 신호는 동물이 학습하거나 세상에 대한 이해를 재평가해야 하는 순간을 강조하고, 상황이 예측 가능해지면 신호가 조용해지는 것이다.
아마도 가장 놀라운 점은, 연구진이 이 도파민 신호가 쥐가 무엇을 조사하느냐에 따라 다르게 작동하는 것을 관찰했다는 것이다. 쥐가 사회적 파트너인 다른 쥐에게 접근할 때의 도파민 반응은 단순한 무생물 물체에 접근할 때보다 훨씬 약했다. 이는 뇌가 사회적 상호작용과 물체 탐색을 약간 다른 화학적 렌즈를 통해 처리한다는 것을 시사하며, 아마도 사회적 만남은 정적인 물체를 조사하는 것과는 다른 종류의 처리를 요구하는 복잡하고 역동적인 정보를 포함하기 때문일 것이다. 이러한 발견은 뇌가 단순히 위험이나 보상뿐만 아니라, 학습의 잠재력 측면에서도 끊임없이 의미를 스캔하고 있다는 그림을 그려낸다. 이러한 탐험의 순간에 도파민을 방출함으로써, 뇌는 회로를 더욱 유연하고 변화할 준비가 되도록 프라이밍(priming)하여, 새로운 관련 정보가 발생할 때마다 동물이 자신의 내부 세계 지도를 업데이트할 수 있도록 보장하는 듯하다. 이 연구는 도파민에 대한 우리의 이해를 단순한 보상 신호에서 호기심을 안내하는 더 복잡한 가이드로 전환시키며, 뇌가 지식을 얻는 행위 자체를 지식 그만큼이나 가치 있게 여긴다는 것을 보여준다.
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