Strategy-dependent causal relationships between large-scale cortical activity and perceptual decisions

매일 어떤 동물은 단순하지만 중대한 질문에 직면합니다. "어느 방향으로 가야 하는가?" 이 질문에 답하기 위해 동물은 주변 세계로부터 단서를 모으고, 이를 자신이 배운 것과 대조하여 무게를 잰 뒤 선택을 내려야 합니다. 수십 년 동안 이러한 결정을 연구해 온 과학자들은 뇌가 하나의 안정적인 기계처럼 작동하며, 매번 선택을 할 때마다 동일한 방식으로 정보를 처리한다고 가정해 왔습니다. 하지만 실제로 마음은 훨씬 더 유동적입니다. 사람이 때로는 퍼즐에 깊이 집중하기도 하고, 때로는 직감이나 습관에 의지하기도 하는 것처럼, 동물도 동일한 문제를 해결하기 위해 서로 다른 내부 전략 사이를 전환합니다. 때로는 증거를 주의 깊게 따르기도 하고, 다른 때에는 단서와 상관없이 한쪽 방향을 선호하는 패턴에 빠지기도 합니다. 여기서 핵심적인 질문은, 뇌가 이러한 서로 다른 사고 모드를 지원하기 위해 그 배선을 변경하는지, 만약 그렇다면 동물이 올바른 궤도를 유지하도록 돕는 데 어떤 뇌 부위가 책임을 지는지 하는 것입니다.

연구팀은 생쥐의 뇌 속에 숨겨진 이 결정 과정의 지형을 그려내고자 했습니다. 그들은 생쥐가 가상 T자형 미로를 탐색하는 특정 과제에 주목했습니다. 생쥐가 앞으로 달려 나갈 때, 경로의 왼쪽 또는 오른쪽에 일련의 시각적 타워들이 나타납니다. 목표는 간단합니다. 어느 쪽에 타워가 더 많았는지 기억하고 그 방향으로 회전하여 보상을 받는 것입니다. 연구진은 수만 번의 시행에 걸쳐 수십 마리의 생쥐가 이 과제를 수행하는 모습을 관찰하며 데이터를 수 collection했습니다. 뇌가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 그들은 단순히 생쥐를 관찰하는 데 그치지 않고 '옵토제네틱스(optogenetics, 광유전학)'라고 불리는 기술을 사용했습니다. 이 방법은 빛을 이용해 특정 뇌 세포 집단을 일시적으로 침묵시켜, 특정 부분이 작동을 멈췄을 때 어떤 일이 발생하는지 확인하는 일종의 뇌 속 스위치를 끄는 방식입니다. 연구진은 이러한 빛을 이용한 방해와 뇌 활동 기록을 결합함으로써, 서로 다른 뇌 영역이 의사결정 과정에 어떻게 기여하는지 테스트할 수 있었습니다.

첫 번째 단계는 생쥐가 매 순간 어떤 종류의 사고를 하고 있는지 파악하는 것이었습니다. 연구진은 빛에 의한 방해가 없을 때 생쥐가 내린 선택들을 분석했습니다. 그 결과, 생쥐들이 단 하나의 고정된 전략만을 사용하는 것이 아님을 발견했습니다. 대신, 생쥐들은 세 가지 뚜렷한 정신 상태 사이를 표류하고 있었습니다. 첫 번째 상태에서 생쥐들은 완전히 몰입하여 타워에 주의를 기울이고 증거가 선택을 이끌도록 했습니다. 나머지 두 상태에서 생쥐들은 몰입도가 떨어진 상태였습니다. 이 순간에 생쥐들은 타워를 거의 무시하고, 보이는 것과 상관없이 왼쪽이나 오른쪽 중 한 곳으로 회전하는 강한 습관을 보였습니다. 이러한 상태는 순식간에 지나가는 것이 아니었습니다. 일단 어떤 상태에 진입하면, 생쥐는 수십 번의 시행 동안, 때로는 30회 이상의 연속된 턴 동안 그 상태를 유지하는 경향이 있었습니다. 이 발견은 뇌가 단순히 데이터를 처리하는 것이 아니라, 시간이 지나도 지속되는 서로 다른 작동 모드를 채택한다는 것을 확인시켜 주었습니다.

이 세 가지 상태를 확인한 후, 연구진은 뇌의 서로 다른 부분을 침묵시켰을 때 어떤 일이 일어나는지 조사했습니다. 그들은 대뇌 피질이라고 알려진 뇌의 윗부분 내 수십 군데를 표적으로 삼았고, 생쥐의 선택이 어떻게 변하는지 관찰했습니다. 결과는 놀라웠으며, 이는 전적으로 생쥐가 어떤 정신 상태에 있느냐에 따라 달라졌습니다. 생쥐가 몰입하여 증서에 기반한 상태에 있을 때, 뇌의 앞부분을 침묵시키면 생쥐는 집중력을 잃었습니다. 생쥐는 타워의 신호에 귀를 기울이지 않고 추측하기 시작했으며, 종종 한쪽 방향으로 강한 편향을 보였습니다. 그러나 생쥐가 이미 편향된 비몰입 상태에 있을 때 동일한 앞부분을 침묵시키면 정반대의 효과가 나타났습니다. 이는 오히려 생쥐가 기존에 가지고 있던 한쪽을 선호하는 경향을 줄여주어, 편향을 덜 극단적으로 만들었습니다. 이 역설적인 결과는 뇌의 앞부분이 동물이 올바른 일을 하려고 노력할 때 집중력을 유지하는 데 필수적인 제어 센터 역할을 하지만, 그 제거가 때로는 증거를 사용하는 능력을 완전히 회복시키지는 못하더라도 주의 산만함을 줄이는 데 도움을 줄 수 있음을 보여주었습니다.

연구진은 또한 이러한 방해의 타이밍도 살펴보았습니다. 그들은 뇌의 앞부분을 침묵시키는 것이 생쥐가 회전하기 직전인 실험 후반부에 일어날 때 가장 강력한 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 이는 앞쪽 뇌 영역이 동물이 결정을 마음속에 간직하고 최종적인 선택을 실행하는 데, 특히 동물이 정확성을 기하려고 할 때 매우 중요하다는 것을 시사합니다. 반면, 연구진이 뇌의 뒷부분을 침묵시켰을 때는 결과가 달랐습니다. 이 영역들은 동물이 편향된 비몰입 상태에 있을 때 더 큰 역할을 하는 것으로 보였는데, 아마도 그러한 습관을 유지하거나 과거 보상의 이력을 처리하는 데 도움을 주는 것으로 보입니다.

전체적인 그림을 보기 위해, 연구팀은 와이드필드 카메라를 사용하여 뇌 전체 표면의 전기적 활동을 기록했습니다. 그들은 뇌의 앞부분이 편향된 상태보다 몰입 상태일 때 훨씬 더 활발하다는 것을 발견했습니다. 나아가, 뇌 활동을 바탕으로 생쥐의 선택을 예측하려 했을 때, 몰입 상태에서는 앞쪽 영역이 가장 좋은 예측 인자였던 반면, 편향된 상태에서는 뒤쪽 영역이 더 많은 정보를 제공했습니다. 이는 뇌가 사용 중인 전략에 따라 스스로를 재구성한다는 사실을 확인시켜 주었습니다. 뇌의 앞부분은 집중력을 유지하고 현재의 증거에 기반해 선택을 내리는 핵심 허브이며, 다른 영역들은 동물이 습관에 의존할 때 주도권을 잡습니다.

이러한 발견은 뇌가 고정된 부품이 정해진 일을 수행하는 정적인 기계가 아님을 시사합니다. 대신, 뇌는 동물이 문제에 접근하는 방식에 따라 연결과 활동 패턴을 재구성하는 역동적인 시스템입니다. 뇌의 앞부분은 몰입된 증거 기반 전략을 유지하는 중요한 허브로 부상하며, 단순한 편향에 빠지는 경향에 맞서는 파수꾼 역할을 합니다. 이 파수꾼이 사라지면 동물은 길을 잃지만, 흥미롭게도 이를 제거하는 것이 때로는 주의 산만의 강도를 줄여줄 수는 있습니다. 비록 그것이 반드시 최적의 수행 능력으로 되돌려 놓는 것은 아닐지라도 말입니다. 이 연구는 대규모 뇌 역학이 어떻게 서로 다른 사고 방식을 지원하기 위해 변화하는지에 대한 더 명확한 시각을 제공하며, 결정으로 가는 경로가 눈앞의 증거만큼이나 뇌의 현재 전략에 달려 있다는 것을 밝혀냈습니다.