Collateral-defined prefrontal-striatal circuits partition behavioral vigor during appetitive goal pursuit
이 연구는 식욕적 목표 추구 과정 중의 행동적 활력이 두 개의 뚜렷하게 부수적으로 정의된 전전두엽-선조체 하위 네트워크에 의해 선택적으로 조절되며, 여기서 DMS/PL 뉴런은 행동 개시를 유도하는 반면 DMS/aIC 뉴런은 보상 접근을 억제한다는 것을 입증한다.
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동기 부여된 행동은 생명의 엔진이며, 동물이 먹이를 찾거나, 은신처를 구하거나, 짝을 쫓도록 몰아붙이는 내부적인 추진력이다. 그러나 이 추진력은 단일하고 끊김 없는 하나의 힘이 아니다. 그것은 움직이기로 결정하는 것, 물리적으로 움직이는 행위, 목표를 향해 접근하는 것, 그리고 최종적으로 보상을 섭취하는 것의 일련의 뚜렷한 단계들로 펼쳐진다. 과학자들은 오랫동안 이러한 행동의 강도, 즉 '활력(vigor)'이 동물이 무언가를 얼마나 원하는지 또는 얼마나 지쳤는지에 따라 변한다는 사실을 알고 있었다. 하지만 근본적인 질문 하나가 해결되지 않은 채 남아 있었다. 뇌가 이 과정의 모든 단계에서 속도와 에너지를 단 하나의 스위치로 조절하는가, 아니면 여정의 각 부분에 서로 다른 제어 장치를 사용하는가 하는 점이다. 이러한 구분을 이해하는 것은 매우 중요한데, 왜냐하면 이것이 뇌가 어떻게 복잡한 목표를 관리 가능한 독립적인 행동들로 세분화하는지를 보여주며, 이는 변화하는 세상에 적응하는 데 필수적인 과정이기 때문이다.
상하이 교통대학교와 푸단 대학교의 연구팀은 이제 뇌가 이러한 복잡성을 어떻게 관리하는지 그 지도를 그려냈다. 그들은 뇌가 행동의 시작과 보상을 향한 접근을 하나의 단위로 취급하지 않는다는 사실을 발견했다. 대신, 뇌는 이들을 별도로 제어하기 위해 두 개의 특화된 병렬 회로를 사용한다. 연구진은 쥐들이 설탕 보상을 얻기 위해 작업하는 과정을 관찰함으로써, 과업을 시작하는 데 사용되는 에너지가 결승선을 향해 나아가는 데 사용되는 에너지와 다르게 조절된다는 것을 발견했다. 쥐들이 배가 불러 허기가 줄어들었을 때, 그들은 움직임을 시작하기도 전에 눈에 띄게 속도가 느려졌지만, 일단 음식을 향해 움직이기 시작하면 그들의 속도는 일정하게 유지되었다. 이는 뇌에 노력을 시작할지 여부를 결정하는 특정 메커니즘이 있고, 일단 시작된 노력을 유지하는 데는 다른 메커니즘이 있다는 것을 시사했다.
이러한 분리의 신경학적 기초를 찾기 위해, 연구진은 뇌의 특정 고속도로인 계획 및 의사결정과 관련된 영역인 배측내측 전전두피질(dorsomedial prefrontal cortex)과 학습 및 행동에 결정적인 영역인 배측내측 선조체(dorsomedial striatum) 사이의 연결에 주목했다. 그들은 전전두피질의 뉴런들이 종종 여러 목적지로 가지를 뻗는데, 이는 마치 여러 사무실에 연결되는 전화선과 같다는 점을 알고 있었다. 연구팀은 선조체로 신호를 보내는 이 가지를 치는 뉴런들이 자신들의 특정 직무를 정의하는 다른 곳으로도 신호를 보내고 있을지 의문을 가졌다. 연구진은 첨단 이미징 기술과 유전자 태깅을 사용하여 이 경로 내에서 두 개의 뚜렷한 뉴런 집단을 식별했다. 전전두피질의 한 그룹은 프리림빅 피질(prelimbic cortex)로도 가지를 뻗으며 쥐들이 과업을 시작하기로 결정할 때 활성화되었다. 다른 한 그룹은 전측 섬엽 피질(anterior insular cortex)으로 가지를 뻗으며 쥐들이 보상을 향해 이동할 때 활성화되었다.
연구진은 빛을 이용해 이 두 그룹을 켜거나 끄는 기술, 즉 특정 세포를 정밀하게 제어할 수 있는 기법을 사용하여 이 두 그룹의 기능을 테스트했다. '시작' 뉴런을 활성화했을 때, 쥐들은 훨씬 빠르게 과업을 시작했다. 반대로 이 뉴런들을 억제했을 때, 쥐들은 주저하며 시작하는 데 더 오랜 시간이 걸렸다. 이와 대조적으로, '접근' 뉴런을 조작하는 것은 쥐들이 얼마나 빨리 시작하는지에 영향을 주지 않았다. 대신, 접근 뉴런을 활성화하면 쥐들은 보상을 향해 더 느리게 움직였고, 이들을 억제하면 쥐들은 앞으로 돌진했다. 이는 명확한 분업을 드러냈다. 즉, 한 회로는 행동을 개시하기 위한 가속 페달 역할을 하고, 다른 회로는 접근 단계에서 브레이크 역할을 하여 동물이 목표를 향해 너무 무모하게 움직이지 않도록 보장한다.
또한 이 연구는 이 두 회로가 뇌의 서로 다른 부분으로부터 정보를 받는다는 것을 보여주었다. '시작' 뉴록은 기억 및 내부 상태와 관련된 영역으로부터 더 많은 입력을 받는 반면, '접근' 뉴런은 감각 정보의 중계소인 시상(thalamus)으로부터 더 많은 입력을 받는다. 이러한 배선 구조는 시작을 결정하는 것이 동물의 내부적인 동기와 최근의 이력에 크게 영향을 받는 반면, 목표를 향한 움직임은 즉각적인 감각 신호와 환경의 물리적 실체에 맞춰 조정된다는 것을 시사한다.
이 연구는 뇌가 목표 추구의 활력을 별개의 부수적 정의(collateral-defined) 회로로 분할한다는 것을 보여줌으로써, 동기 부여가 어떻게 조직되는지에 대한 새로운 이해를 제공한다. 이는 뇌가 단순히 단일한 '동기' 신호의 볼륨을 높이는 것이 아님을 시사한다. 대신, 뇌는 행동을 결정하는 것과 접근을 실행하는 것을 독립적으로 제어하기 위해 특화된 경로들의 정교한 네트워크를 사용한다. 이를 통해 동물은 과업을 시작하는 데 높은 동기를 가지면서도 보상을 향해 움직이는 방식은 세밀하게 조절할 수 있으며, 시작 단계에서 주저하면서도 일단 여정이 시작되면 일정한 속도를 유지할 수 있다. 이러한 미세한 제어는 행동이 경직된 '일률적 방식'을 따르는 대신, 순간의 구체적인 요구에 맞춰 유연하고 효율적으로 적응할 수 있도록 보장한다.
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