Emotion reconfigures neuronal coordination across brains to control social choice

사회적 삶은 정신 사이의 조용하고 지속적인 대화에 의존합니다. 우리가 타인과 상호작용할 때, 우리의 뇌는 단순히 고립되어 작동하는 것이 아니라, 서로에게 끊임없이 적응하며 감정을 이해하고, 갈등을 해결하며, 함께 선택을 내릴 수 있게 해주는 공유된 리듬을 만들어냅니다. 과학자들은 오랫동안 사람이나 동물이 상호작용할 때, 두 시계가 똑같이 움직이는 것처럼 그들의 뇌 활동이 동기화될 수 있다는 사실을 알고 있었습니다. 그러나 한 가지 결정적인 질문이 해결되지 않은 채 남아 있었습니다. 바로 감정이 개입될 때 이러한 동기화가 어떻게 변하는가 하는 점입니다. 구체적으로, 한쪽이 스트레스를 받거나 괴로워할 때 두 뇌 사이의 연결은 어떻게 변할까요? 이 메커니즘을 이해하는 것은 생물학적 생존과 협력을 위해 타인의 고통을 감지하고 이에 반응하는 능력이 동물계 전반에서 필수적이기 때문에 매우 중요합니다.

연구팀은 이제 이 과정을 지배하는 구체적인 생물학적 규칙을 밝혀냈습니다. 생쥐의 실시간 사회적 상황을 관찰함으로써, 그들은 감정이 뇌가 서로 소통하는 방식을 재구성하는 스위치 역할을 한다는 것을 발견했습니다. 이 연구는 뇌가 타인과 연결되기 위해 단일하고 균일한 방법을 사용하는 것이 아님을 보여줍니다. 대신, 뇌는 상호작용이 차분한지 아니면 긴장된 상태인지에 따라 서로 다른 유형의 뉴런을 사용합니다. 두 마리의 생쥐가 중립적이고 편안한 상태에 있을 때, 그들의 뇌는 특정 유형의 세포를 통해 연결됩니다. 하지만 한 마리가 스트레스를 받으면 그 연결은 끊어지고, 완전히 다른 유형의 세포가 투입되어 새로운 감정 중심의 연결을 구축합니다. 이 발견은 뇌가 파트너의 정서적 상태에 따라 즉각적으로 스스로를 재배선할 수 있는 정교한 이중 시스템을 갖추고 있음을 시사합니다.

이를 확인하기 위해 연구진은 세 마리의 생쥐가 작은 경기장에서 상호작용하도록 실험을 설계했습니다. 관찰자 역할을 하는 한 마리의 생쥐는 자유롭게 움직일 수 있었고, 나머지 두 마리의 시연자 생쥐는 각각 별도의 구역에 배치되었습니다. 한 시연자는 차분한 상태였고, 다른 한 마리는 짧고 가벼운 스트레스 요인에 노출된 상태였습니다. 관찰자 생쥐는 두 마리 모두를 냄새 맡고 조사할 수 있었습니다. 과학자들은 세 마리 동물의 뇌에 이식된 아주 작은 현미경을 사용하여, 사회적 정보와 감정을 처리하는 영역으로 알려진 전대상피질(anterior cingulate cortex) 내 개별 뉴런의 활동을 기록했습니다. 그들은 두 가지 주요 세포 유형에 집중했습니다: 신호를 보내는 주요 흥분성 세포인 피라미드 뉴런과, 그 신호를 조절하는 데 도움을 주는 억제성 세포의 일종인 소마토스타틴 뉴로(somatostatin neurons)입니다.

결과는 사회적 상호작용 중에 이 세포들이 어떻게 행동하는지에 대한 명확한 패턴을 보여주었습니다. 관찰자 생쥐가 차분한 시연자에게 다가갔을 때, 두 뇌의 피라미드 뉴론은 동기화된 리듬으로 발화했습니다. 이러한 협응은 두 마리가 서로 냄새를 맡는 상호적 행위를 할 때 가장 강력하게 나타났습니다. 그러나 관찰자가 스트레스를 받은 시연자에게 다가갔을 때, 이 피라미드 동기화는 사라졌습니다. 파트너의 스트레스가 일반적인 신경적 악수를 효과적으로 단절시킨 것입니다. 주된 흥분성 세포 대신 다른 연결이 나타났는데, 관찰자의 뇌에 있는 소마토스타틴 뉴런이 스트레스를 받은 생쥐의 뉴런과 동기화되기 시작한 것입니다. 이 새로운 연결은 파트너가 스트레스를 받을 때만 나타났으며, 상호 냄새 맡기 과정에서 특히 강하게 나타났습니다.

이러한 신경 패턴이 단순히 상호작용의 부수적인 효과가 아니라 실제로 생쥐의 선택을 유발한다는 것을 증명하기 위해, 연구진은 빛을 사용하여 세포를 직접 제어했습니다. 그들은 생쥐의 움직임에 의해 트리거되는 빛의 번쩍임으로 특정 뉴런을 켜거나 끌 수 있는 시스템을 개발했습니다. 스트레스를 받은 생쥐의 소마토스타틴 뉴런 활동을 차단했을 때, 관찰자 생쥐는 스트레스를 받은 파트너와 차분한 파트너를 구분하는 능력을 잃었습니다. 생쥐는 더 이상 스트레스를 받은 개체를 선호하지 않았으며, 이는 소마토스타틴 연결이 스트레스를 인식하고 반응하는 데 필수적임을 시사합니다. 반대로, 차분한 생쥐의 소마토스타틴 뉴런을 인위적으로 관찰자와 동기화시켰을 때, 관찰자는 그 차분한 생쥐를 마치 스트레스를 받은 것처럼 취급하며 선호도를 보였습니다. 이는 특정 유형의 신경 결합이 사회적 선호도를 직접적으로 결정한다는 것을 입증했습니다.

연구진은 또한 관찰자가 이 연결을 주도할 수 있는지 테스트했습니다. 그들은 관찰자의 뇌 활동을 실시간으로 기록하여 시연자의 뇌를 자극하는 폐쇄 루프 시스템을 설정했습니다. 관찰자의 소마토스타틴 뉴런이 활성화되었을 때, 이는 스트레스를 받은 시연자의 뇌에 일치하는 활동을 유발했습니다. 관찰자에 의해 유도된 이 인공적인 동기화는 관찰자가 차분한 생쥐보다 스트레스를 받은 생쥐를 선택하게 만들기에 충분했습니다. 이는 관찰자의 뇌가 자신의 사회적 결정을 안내하기 위해 연결을 능동적으로 형성한다는 것을 확인시켜 주었습니다. 대조적으로, 피라미드 뉴런을 조작했을 때는 반대의 효과가 나타났습니다: 차분한 상황에서 이들을 동기화시키도록 강제하면 관찰자의 흥미가 감소했고, 둘 사이에 불일치(anticorrelation)를 만들면 스트레스를 받은 파트너에 대한 관심이 증가했습니다.

이 발견이 실험실 너머에도 적용되는지 확인하기 위해, 팀은 연구 범위를 인간으로 확장했습니다. 그들은 두 사람이 손을 잡고 얼굴을 마주 보고 상호작용하는 동안 뇌파를 기록했습니다. 이 쌍들 중 한 명은 스트레스를 유발하는 이미지를 보았고, 다른 한 명은 중립적인 이미지를 보았습니다. 연구진은 한 사람이 스트레스를 받을 때 두 사람의 뇌파가 덜 동기화된다는 것을 발견했는데, 이는 생쥐에게서 나타난 장애를 그대로 반영했습니다. 이는 감정에 따른 뇌의 협응 원리가 인간과 생쥐 모두에서 유사한 생물학적 원리에 따라 작동하며, 종을 초월하여 보존되어 있음을 시사합니다.

연구는 사회적 선택이 정적인 과정이 아니라, 관련된 사람이나 동물의 구체적인 정서적 상태에 의해 형성되는 역동적인 과정이라고 결 결론짓습니다. 뇌는 타인과 연결되기 위해 단일한 메커니즘에 의존하지 않고, 유연한 도구 상구를 가지고 있습니다. 차분한 순간에는 이해의 다리를 놓기 위해 한 세트의 뉴런을 사용합니다. 스트레스가 있는 순간에는 긴장을 헤쳐 나가기 위해 다른 세트의 뉴런으로 전환합니다. 감정에 따라 신경 협응을 재구성하는 이러한 능력은 동물이 자신의 사회적 세계의 복잡하고 변화하는 정서적 풍경에 적절히 대응할 수 있게 해줍니다. 이 스위치를 담당하는 정확한 세포를 식별함으로써, 이 연구는 뉴런의 미시적 활동과 사회적 선택이라는 거시적 행동 사이의 명확한 인과 관계를 제공합니다.