Striatal interneuron microcircuits gate reinforcement to stabilize adaptive choice

우리는 매일 출근할 때 어떤 경로를 택할지부터 메뉴에서 음식을 고르는 일까지, 셀 수 없이 많은 작은 선택들을 하며 살아갑니다. 이러한 선택 중 일부는 시행착오를 통해 학습되는데, 이는 우리의 뇌가 행동의 결과와 그로 인해 발생한 성공 또는 실패를 대조하여 무게를 다는 과정입니다. 이러한 학습은 뇌의 특정 영역인 선조체(striatum)에서 일어나는데, 이곳은 보상과 처벌에 관한 정보를 처리하는 허브 역할을 하는 깊은 구조입니다. 이 허브 내부에서는 수상돌기 가시 신경세포(spinal projection neuron)라고 알려진 유형의 신경세포가 주요 메신저로서 역할을 하며, 우리의 행동을 추진하는 신호를 보냅니다. 과학자들은 오랫동안 이 메신저 세포들이 흥분성 입력에 의해 조절된다는 사실을 이해해 왔지만, 선조체 내부에서 브레이크나 필터 역할을 하는 국소 억제 세포들의 역할은 미스터리로 남아 있었습니다. 이 국소 브레이크가 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 이것이 세상의 규칙이 변할 때, 즉 기존의 방식이 더 이상 통하지 않을 때 우리가 어떻게 습관을 적응시키고 새로운 전략으로 전환하는지를 밝혀낼 열쇠가 될 수 있기 때문입니다.

최근 한 연구팀은 국소 억제 회로가 학습에 어떻게 영향을 미치는지 밝히기 위해 등쪽내측 선조체(dorsomedial striatum)에 주목했습니다. 그들은 동물이 보상을 얻기 위해 레버를 밀거나 당겨야 하는 특정 학습 과제에 집중했는데, 이때 게임의 규칙이 가끔 뒤바뀌었습니다. 때로는 미는 것이 옳은 동작이었고, 때로는 당기는 것이 옳았으며, 동물은 보상을 받았는지 여부에 따라 변화를 파악해야 했습니다. 이 과정 동안 다양한 억제 신경세포의 활동을 관찰함으로써, 과학자들은 단일 시행의 즉각적인 결과와 동물이 선택을 내리는 데 사용하는 광범위한 전략을 연결하는 정밀한 내부 회로를 발견했습니다. 그들은 특정 단백질에 의해 구분되는 두 가지 유형의 억제 세포가 동일한 사건에 대해 서로 반대로 반응한다는 것을 발견했습니다. 소마토스타틴(somatostatin)이라는 단백질을 포함하는 한 유형은 시행이 잘못되었거나 보상이 예상치 못하게 주어졌을 때 활성화되었습니다. 반면, 티로신 수산화효소(tyrosine hydroxylase)를 포함하는 다른 유형은 그 반대로, 시행이 실패했을 때는 조용해지고 보상을 받았을 때는 활발하게 움직였습니다.

연구진은 이 두 세포 유형이 서로, 그리고 주요 메신저 세포들과 어떻게 소통하는지를 지도화했습니다. 그들은 티로신 수산화효소 세포가 활성화될 때 소마토스타틴 세포를 억제한다는 것을 발견했습니다. 이러한 억제는 브레이크를 제거하여 주요 메신저 세포가 더 자유롭게 발화할 수 있게 합니다. 이 일련의 사건은 좋은 결과가 행동을 유도하는 세포의 활동을 촉진하는 특정 순서로 이어지는 경로를 만듭니다. 이 회로가 실제로 학습에 필요한지를 테스트하기 위해, 과학자들은 살아있는 동물에서 이 세포들을 일시적으로 비활성화했습니다. 소마토스타티 세포의 기능을 멈추자, 동물들은 잘못된 선택을 반복하며, 더 이상 이득이 되지 않는 상황에서도 차선책인 전략을 고수하기 시작했습니다. 반대로, 티로신 수산화효소 세포를 비활성화했을 때, 동물들은 긍정적인 보상으로부터 배우는 데 어려움을 겪으며 올바른 행동을 강화하는 데 실패했습니다. 이러한 실험들은 이 특정한 미세 회로가 뇌가 단일 시행의 결과에 기반하여 행동을 업데이트할지 여부를 결정하는 게이트 역할을 한다는 것을 보여주었습니다.

또한 연구는 이러한 행동 변화가 일어난 후 세포 내부에서 어떤 일이 발생하는지를 조사했습니다. 소마토스타틴 세포가 억제되었을 때, 연구진은 흥분성 입력과 주요 메신저 세포 사이의 연결이 시간이 지남에 따라 더 강해지는 것을 관찰했습니다. 이러한 강화는 동물이 실험이 끝난 후에도 오랫동안 왜 똑같은 잘못된 선택을 계속했는지를 설명해 줄 수 있는 뇌 배선의 물리적 변화를 시사합니다. 이 연구 결과는 이 탈억제 회로(disinhibitory circuit)가 단순히 단일 사건에 반응하는 것을 넘어, 시행의 즉각적인 결과를 지속적인 정책의 변화로 변환시킨다는 것을 나타냅니다. 이 특정한 국소 루프를 통해 강화의 흐름을 제어함으로써, 뇌는 적응적인 선택을 안정화하여 우리가 성공과 실패로부터 학습하고 그것이 미래의 행동을 안내하도록 보장할 수 있습니다.