Frontal population organization supports the behavioral expression of confidence
이 연구는 쥐의 안와전두피질에서 나타나는 강력한 확신 표현의 행동적 발현이 개별 뉴런 활동의 강도가 아니라, 이러한 내부 상태가 접근 및 행동으로 번역될 수 있는지 여부를 결정하는 뉴런 집단의 특정한 시간적 및 기하학적 조직에 달려 있음을 입증한다.
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뇌 내부에서 생각은 종종 행동으로 반드시 번역되지 않는 조용하고 내부적인 신호로서 존재한다. 어떤 사람은 선택에 대해 절대적인 확신을 느끼면서도 행동하기 전에 망설일 수도 있고, 확신이 없으면서도 일단 앞서 나갈 수도 있다. 수십 년 동안 과학자들은 특정 뇌세립들이 확신의 감정을 인코딩하며, 동물이 결정에 대해 얼마나 확신하느냐에 따라 더 많이 혹은 더 적게 발화한다는 사실을 알고 있었다. 그러나 근본적인 미스터리가 남아 있었다. 뇌세포가 확신의 신호를 전달한다고 해서, 그것이 반드시 동물의 행동으로 이어지는가 하는 점이었다. 질문은 단순히 뇌가 답을 알고 있느냐의 문제가 아니라, 그 지식이 어떻게 물리적인 행동이 되느냐의 문제였다. 이 연구는 생각을 갖는 것과 그것을 표현하는 것 사이의 간극을 탐구하며, 왜 강한 내부적 느낌이 때때로 쥐의 행동을 가이드하는 데 실패하는지를 조사한다.
이 퍼즐을 풀기 위해 RIKEN과 도시샤 대학교의 연구진은 결정의 순간과 보상의 순간을 분리한 쥐를 위한 과업을 설계했다. 동물들은 두 가지 향기가 섞인 혼합물을 냄새 맡고, 물을 찾기 위해 왼쪽 또는 오른쪽 포트로 선택하도록 훈련받았다. 향기 혼합물의 난이도는 다양하게 설정되어 어떤 선택은 쉽게, 어떤 선택은 어렵게 만들었다. 선택을 한 후, 쥐들은 보상이 도착할 수도 있고 도착하지 않을 수도 있는 상황에서 기다려야 했다. 한 가지 실험 버전에서 보상은 완전히 예측 불가능한 시간에 도착했으며, 이는 쥐들이 자신이 얼마나 정답을 맞힐 가능성이 높은지에 대한 자신의 판단에 의존하게 만들었다. 만약 확신을 느낀다면 더 오래 기다렸고, 확신이 없다면 더 빨리 떠났다. 이 시나리오에서 쥐가 선택한 대기 시간은 확신의 직접적인 척도였다.
연구진은 보상 타이밍이 고정되고 예측 가능한 두 번째 버전의 과업을 도입했다. 물은 항상 선택 직후 0.5초 후에 도착했다. 이 조건에서 쥐들의 지각적 결정은 여전히 예리했다. 그들은 이전과 동일한 정확도로 올바른 포트를 선택했다. 하지만 그들의 대기 행동은 극적으로 변했다. 그들은 더 이상 확신할 때 더 오래 기다리지 않았다. 대신, 확신 여부와 상관없이 비슷한 시간 동안 기다렸다. 내부적인 확신의 느낌은 여전히 존재했지만, 그것은 동물의 행동을 형성하는 힘을 잃었다. 이는 다음과 같은 질문을 던질 완벽한 기회를 만들어냈다. 뇌가 확신을 느끼는 것을 멈춘 것인가, 아니면 단지 그 느낌을 사용하여 대기를 유도하는 것을 멈춘 것인가?
이를 알아내기 위해 연구팀은 가치와 확신을 처리하는 것으로 알려진 뇌 영역인 안와전두피질(orbitofrontal cortex)에서 수백 개의 뉴런의 활동을 기록했다. 그들은 뉴런 자체가 변하지 않았음을 발견했다. 쥐들이 확신을 사용하여 대기 시간을 결정하는 것을 멈췄을 때조차도, 개별 뇌세포들은 높은 또는 낮은 확신을 명확하게 신호하는 패턴으로 계속 발화했다. 느낌의 내부적 표상은 견고하고 온전했다. 문제는 뇌가 확신을 느끼는 법을 잊어버린 것이 아니라, 그 느낌을 나머지 신체가 쉽게 읽을 수 있는 방식으로 조직하는 것을 멈춘 것이었다.
연구진은 핵심적인 차이가 뉴런 집단이 어떻게 함께 작동하느냐에 있다는 것을 발견했다. 쥐들이 예측 불가능한 조건에 있고 그들의 확신이 대기 시간을 안내할 때, 뉴런들은 시간에 따라 매우 조직적이고 안정적인 패턴으로 발화했다. 이러한 조직화는 뇌가 대기하는 동안 언제든 접근할 수 있는 명확하고 선형적인 확신 신호를 유지할 수 있게 해주었다. 마치 뉴런들이 나머지 뇌가 이해하고 행동할 수 있는 일관된 언어로 말하고 있는 것과 같았다. 반면, 확신이 더 이상 행동을 가이드하지 않는 예측 가능한 조건에서는 이 조직화가 무너졌다. 뉴런들은 여전히 발화했지만, 그들의 집단적 패턴은 무질서해지고 덜 안정적이 되었다. 신호는 존재했지만, 그것은 더 이상 매끄럽고 선형적인 판독이 가능하도록 배열되지 않았다. 정보는 존재했으나, 뇌의 하위 부분들이 쉽게 접근할 수 없는 혼란스러운 구조 속에 파묻혀 있었다.
이 조직화가 빠진 연결고리임을 증명하기 위해, 과학자들은 빛을 사용하여 안와전두피질과 운동 및 습관과 관련된 더 깊은 뇌 구조인 선조체(striatum) 사이의 특정 연결을 일시적으로 방해했다. 대기 기간 동안 이 특정 경로들을 억제하거나 활성화했을 때, 그들은 확신과 대기 시간 사이의 연결을 끊을 수 있었다. 쥐들이 보통 확신에 따라 대기 시간을 조절하던 예측 불가능한 조건에서도, 이 연결들을 방해하면 쥐들이 확신도에 따라 대기 시간을 조절하는 것을 멈추게 되었다. 이는 안와전두피질이 단지 확신의 느낌을 보유하는 것뿐만 아니라, 그 느낌을 특정한 패턴으로 조직하여 하류로 전달해야 한다는 것을 확인시켜 주었다.
이 연구는 강력한 내부적 표상을 갖는 것만으로는 충분하지 않다는 것을 보여준다. 뇌는 자신의 신호를 시스템의 나머지 부분에서 접근 가능하게 만드는 특정한 조직적 기하학적 구조로 배열해야 한다. 뇌의 뉴런 집단이 잘 조직되어 있을 때, 확신과 같은 내부적 생각은 행동으로 자유롭게 흐를 수 있다. 그 조직화가 무너지면, 명확하고 강한 생각이라 할지라도 그 안에 갇혀 동물이 다음에 무엇을 할지에 영향을 미치지 못하게 된다. 이는 행동의 유연성이 우리가 무언가를 얼마나 강하게 느끼느냐보다, 뇌가 그 느낌을 읽히고 실행될 수 있도록 어떻게 배열하느냐에 달려 있음을 시사한다.
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