Paired exposure to blue light and nutrient alters subsequent photo-avoidance in Physarum polycephalum
이 연구는 *Physarum polycephalum*이 영양분과의 반복적인 결합을 통해 청색광에 대한 기피 반응을 완화할 수 있음을 보여주지만, 추가 훈련에 따른 강화가 나타나지 않고 비연합적 과정의 기여 가능성이 존재한다는 점에서 관찰된 행동 변화가 연합 학습을 확정적으로 입증하는 것은 아니라는 점을 보여준다.
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지난 한 세기 동안 과학자들은 학습이 신경계를 가진 동물들에게만 허락된 특권인지에 대해 논쟁해 왔습니다. 표준적인 견해는 학습, 특히 두 개의 분리된 사건을 서로 연결하는 능력이 뇌를 필요로 한다는 것입니다. 개가 종소리가 먹이를 예측한다는 것을 배우거나, 쥐가 소리가 전기 충격을 예측한다는 것을 배울 때, 일반적으로 뉴런이 그 연결을 형성하기 위해 물리적으로 스스로를 재배선한다고 생각합니다. 이 과정은 연합 학습(associative learning)이라고 알려져 있으며, 복잡한 인지 능력의 특징으로 간見됩니다. 그러나 자연계에는 뇌가 전혀 없는 유기체들이 가득합니다. 단세포 생물과 단순한 세포 네트워크들은 뉴런 하나 없이도 세상을 탐색하고, 먹이를 찾으며, 위험을 피합니다. 수십 년간 지속된 질문은 이 단순한 생명체들이 단순히 본능적으로 반응하는 것 이상의 일을 할 수 있는가 하는 점입니다. 그들이 중립적인 신호와 보상을 연결하는 법을 배워서 과거의 경험에 따라 행동을 바꿀 수 있을까요? 만약 가능하다면, 이는 학습의 뿌리가 이전에 상상했던 것보다 생명의 나무에서 훨씬 더 깊은 곳에, 즉 복잡한 뇌가 아닌 기본적인 세포 기제로부터 발생했을 수도 있음을 시사할 것입니다.
최근 한 연구에서 연구진은 '황색망사점균(Physarum polycephalum)'이라는 놀라운 유기체를 사용하여 이 아이디어를 테스트하고자 했습니다. 이것은 점균류로, 단세포 생물이며 활성 단계 동안에는 거대하고 노란 다핵 네트워크 형태로 퍼져 나갑니다. 이것은 뇌도, 신경도, 중앙 통제 센터도 없지만, 미로를 해결하고 먹이의 위치를 기억하는 것으로 알려져 있습니다. 학습 능력을 조사하기 위해 과학자들은 기억의 고전적인 테스트를 모방한 실험을 설계했습니다. 즉, 중립적인 신호와 보상을 짝지어 주는 것입니다. 이 경우 신호는 점균류가 본래 싫어하여 피하려고 하는 청색광이었습니다. 보상은 그들이 좋아하는 음식인 귀리 조각이었습니다. 연구진은 청색광과 귀리를 반복적으로 노출시킨 후, 점균류가 결국 빛을 피하는 것을 멈추고 이를 근처에 먹이가 있다는 신호로 취급하게 될지를 확인하고자 했습니다.
실험은 청색광이 점균류에게 정말로 불쾌한 자극임을 확인하는 것으로 시작되었습니다. 청색광이 있는 접시에 놓였을 때, 유기체는 느리게 움직이며 넓게 퍼졌고, 빛이 비치는 영역을 피했습니다. 그것은 어두운 곳에 머무는 것을 선호했으며, 광원으로부터 멀리 떨어져 있기 위해 넓고 부채꼴 모양으로 성장했습니다. 이것이 기저선을 확립했습니다. 즉, 빛은 혐오 자극이었습니다. 연구진은 그다음 훈련 단계를 도입했습니다. 그들은 청색광 구역 안에 귀리 조각을 넣었습니다. 점균류는 음식을 향해 가기 위해 불편한 청색광을 반드시 가로질러야 했습니다. 연구진은 각 라운드 사이에 유기체가 어둠 속에서 회복할 수 있도록 허용하면서 이 짝짓기 과정을 여러 세션 동안 반복했습니다. 마지막으로, 연구진은 먹이 없이 청색광만 있는 새로운 접시에 훈련된 점균류를 배치하여 테스트했습니다.
결과에서는 명확한 행동 변화가 나타났습니다. 훈련된 점균류는 먹이를 본 적이 없는 개체들보다 청색광 구역에 훨씬 더 기꺼이 들어갔습니다. 훈련받지 않은 대조군 중 절반만이 하루 안에 청색광 구역에 들어온 반면, 훈련된 대상자들은 거의 모두가 들어갔습니다. 더욱이, 훈련된 대상자들은 빛에 더 빨리 도달했습니다. 그들의 이동 패턴 또한 변했습니다. 넓고 주저하며 퍼지는 대신, 그들은 빛을 향해 더 직접적인 경로를 따라 목적을 가지고 움직였습니다. 이는 음식과 함께 경험한 반복적인 경험이 빛에 대한 그들의 반응을 변화시켰음을 시사합니다. 그들은 빛이 보상의 신뢰할 수 있는 신호가 되었기 때문에, 효과적으로 혐오 자극을 견뎌내는 법을 배운 것입니다.
그러나 연구진은 점균류가 개나 인간과 같은 방식으로 학습했다고 주장하는 데 주의를 기울였습니다. 이 연구는 유기체가 엄밀한 의미의 연합 학습처럼 정신적 연결을 형성했다는 것을 증명하지 못했습니다. 실험 설계에는 다른 더 단순한 설명들을 배제할 수 있는 특정 대조군이 부족했습니다. 구체적으로, 연구진은 빛과 음식이 예측 가능한 연결 없이 동일한 빈도로 제시되는 '짝지어지지 않은 무작위 또는 요크(yoked) 대조 조건'의 부재를 언급했습니다. 이 결정적인 비교가 없다면, 행동의 변화가 두 사건 사이의 진정한 연결 때문이라기보다는, 유기체가 시간이 지남에 따라 단순히 빛에 익숙해진 것(순응/습관화)이나, 반복적인 취급으로 인한 일반적인 활동 증가 때문일 가능성을 배제할 수 없습니다. 결과적으로, 이 연구는 점균류의 행동이 학습처럼 보이는 방식으로 변했지만, 그 변화를 연합 응집성(associative contingency)에 돌리기에는 증거가 아직 충분히 강력하지 않다고 결론지었습니다. 데이터에 따르면 변화는 빠르게 일어났으며, 종종 단 두 번의 훈련 세션 후에 나타났고, 반복 횟수가 늘어난다고 해서 더 강해지지도 않았습니다. 이러한 패턴은 이 효과가 깊고 지속적인 기억이라기보다는 환경에 대한 일시적인 조정일 수 있음을 시사합니다.
연구는 점균류의 행동이 학습처럼 보이는 방식으로 변했지만, 그것이 진정한 연합 학습이라고 말하기에는 증거가 아직 충분하지 않다고 결론짓습니다. 이 유기체는 분명히 과거의 경험을 사용하여 미래의 행동을 수정했습니다. 음식과 짝지어진 후 청색광에 대한 자연스러운 회피 반응을 완화했습니다. 이는 뇌가 없는 생명체에서도 정교한 형태의 행동 유연성이 나타날 수 있음을 보여줍니다. 이는 경험에 기반하여 적응하는 능력이 반드시 신경계를 필요로 하는 것이 아니라, 유기체의 복잡하고 분산된 특성으로부터 발생할 수 있음을 보여줍니다. 이 발견은 우리가 학습을 이해하는 방식에 새로운 층을 더해주며, 기억과 적응의 뿌리가 뇌의 진화보다 훨씬 더 오래되고 널리 퍼져 있을 수 있음을 시사합니다.
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