The mesencephalic locomotor region shapes decision-making during movement
이 연구는 중뇌 보행 영역(MLR)이 다중화된 운동 및 결정 변수를 인코딩하고, 증거 축적을 유도하며, 실행 결정 확률에 인과적으로 영향을 미침으로써 움직임 중의 의사결정을 능동적으로 형성한다는 것을 입증한다.
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우리는 매일 몸을 움직이는 동안 선택을 내립니다. 러너는 지형에 따라 전력 질주할지 아니면 속도를 줄일지를 결정하며, 새는 나뭇가지를 피하며 비행 경로를 조절합니다. 오랫동안 과학자들은 뇌가 이 두 가지 과업, 즉 움직임과 의사결정을 별개의 작업으로 처리한다고 믿었습니다. 뇌의 한 부분은 걸음 수를 계산하고, 더 높은 곳에 위치한 다른 부분은 선택지를 저울질하며 결정을 내린다는 것이었습니다. 하지만 새로운 연구는 이러한 구분이 환상에 불과하다는 점을 시사합니다. 야생에서 움직임과 의사결정은 서로 깊게 얽혀 있으며, 끊임없이 서로를 업데이트합니다. 이것이 어떻게 작동하는지 이해하기 위해, 연구자들은 뇌 중앙에 위치한 중뇌 보행 영역(mesencephalic locomotor region)이라고 불리는 작고 오래된 영역에 주목했습니다. 이 영역은 움직임의 엔진으로 알려져 있지만, 최근의 한 연구는 이 영역이 우리가 움직이는 동안 생각하고 선택하는 방식에도 결정적인 역할을 한다는 것을 밝혀냈습니다.
한국과학기술연구원(KIST)의 연구팀은 생쥐를 이용해 이 가설을 검증하기 위한 실험을 진행했습니다. 연구진은 실험용 쥐를 트레드밀 위에 올려놓고 특정 소리를 듣도록 훈련시켰습니다. 고음의 톤이 들리면 보상을 받기 위해 물 급수대를 핥아야 했고, 저음의 톤이 들리면 공기 분사를 피하기 위해 가만히 있어야 했습니다. 여기서 핵심은 소리가 들리기 전까지 쥐들이 원하는 속도로 자유롭게 걸을 수 있었다는 점입니다. 연구진은 걷는 속도가 쥐들의 의사결정에 변화를 주는지 확인하고자 했습니다. 결과는 그러했습니다. 쥐들이 천천히 걸을 때는 핥을지 가만히 있을지를 결정하는 속도가 빨랐습니다. 반면 빠르게 걸을 때는 반응이 느려졌으며, 설령 행동해야 한다는 것을 알고 있더라도 행동에 옮길 가능성이 낮아졌습니다. 다리의 속도가 생각의 속도와 확신을 직접적으로 형성하고 있었던 것입니다.
이러한 현상이 왜 발생하는지 알아내기 위해, 연구팀은 중뇌 보행 영역에 미세한 전극을 삽니 넣어 개별 뇌세포의 전기 신호를 관찰했습니다. 그들은 이 세포들이 단순히 걸음 수를 세는 것만이 아니라는 사실을 발견했습니다. 대신, 단 하나의 세포가 쥐가 달리는 속도, 들리는 소리, 그리고 보상에 대한 기대치 모두에 반응하여 동시에 발화할 수 있었습니다. 마치 그 세포가 신체의 움직임과 마음의 선택에 대해 동시에 대화를 나누고 있는 것과 같았습니다. 연구진은 컴퓨터 모델을 사용하여 이러한 세포들을 활동 패턴에 따라 그룹별로 분류했습니다. 그 결과, 소리가 들린 직후이자 쥐가 움직이기 전의 결정적인 순간에 가장 활발하게 활동하는 특정 세포 집단을 찾아냈습니다. 이 그룹은 증거를 수집하고, 소리와 과거의 보상 기억을 저울질하며, 다음에 무엇을 할지 결정하는 역할을 하는 것으로 보였습니다.
연구는 이 세포들이 단순히 과정을 관찰하는 것이 아니라 실제로 그 과정을 주도한다는 것을 입증하는 단계로 나아갔습니다. 과학자들은 그 결정적인 사고 기간 동안 활성화된 세포들만을 표식하는 기술을 사용했습니다. 그런 다음 빛을 이용해 쥐들이 결정을 내리는 동안 이 특정 세포들을 일시적으로 억제했습니다. 이 세포들이 꺼졌을 때, 쥐들은 망설이는 모습을 보였습니다. 보상을 위해 핥으라는 '가라(go)' 결정을 내릴 가능성이 훨씬 낮아졌으며, 행동하기로 결정했을 때도 시간이 더 오래 걸렸습니다. 이는 이 특정 세포들이 의사결정 과정 자체에 필수적임을 확인시켜 주었습니다. 또한 연구진은 이 세포들의 화학적 구성을 조사하여, 이들이 주로 움직임을 제어하는 데 쓰이는 유형의 세포가 아님을 발견했습니다. 대신 다양한 유형의 세포들이 섞여 있었는데, 이는 뇌가 움직이면서 결정하는 복잡한 과업을 수행하기 위해 다양한 세포 집단을 사용함을 시사합니다.
이 연구 결과는 중뇌 보행 영역이 단순히 걷기를 위한 스위치 그 이상임을 보여줍니다. 이 영역은 신체의 물리적 상태와 마음의 선택 과정이 만나는 가교 역할을 합니다. 동물이 빠르게 움직일 때, 이 영역은 정보 수집 속도를 늦추어 더 신중하고 느린 결정을 내리게 하는 듯합니다. 반대로 동물이 느리게 움직일 때는 정보를 더 효율적으로 수집하여 더 빠른 선택을 이끌어냅니다. 이 발견은 뇌의 구조를 바라보는 우리의 관점을 바꿉니다. 의사결정 기구가 뇌의 높은 탑에 고립되어 있는 것이 아니라, 근육을 제어하는 회로 안에 내장되어 있음을 보여주는 것입니다. 이는 왜 우리가 서두를 때 명확하게 생각하기가 때때로 더 어려워지는지, 그리고 왜 몸의 속도를 늦추는 것이 때로는 생각을 더 빠르게 만드는 데 도움이 되는지를 설명해 줍니다. 이 연구는 뇌가 움직임의 느낌과 선택의 행위를 어떻게 통합하는지에 대한 명확한 그림을 제시하며, 우리가 어떻게 결정하는지를 이해하기 위해서는 먼저 어떻게 움직이는지를 이해해야 한다는 사실을 밝혀냈습니다.
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