생쥐 뇌 자극 헤드셋 및 보상 시스템 학습. (A) 생쥐에게 뇌 자극(WBS; Wireless electrical brain stimulation) 보상은 머리에 씌운 헤드셋을 통하여 적외선 조사에 의하여 일으키는데, 보상 조절과 관련된 뇌신경(내측전뇌다발)에 전기 자극을 무선으로 전달하는 방식이다.
(B) 연구진이 생쥐 실험을 위해 특수 제작한 케이지를 위에서 본 모습을 단순화하여 표현했다. 케이지는 크게 가운데 구역과 두 개의 아크릴판으로 나뉜 좌우 보상구역으로 나뉜다. 가운데 시작 구역에서 한 쌍의 생쥐는 출발한다.
좌우 보상구역의 벽면에 놓인 조명에 파란불이 무작위로 한 쪽씩 들어오는데, 이 때 좌측 조명이 켜졌다면 생쥐는 아크릴판을 돌아서 그림의 ③과 같이 좌측 보상구역 안에 들어가야 5초간 뇌 자극 보상을 얻을 수 있다. (C),(D) 세션(20회 차의 뇌 자극 실험)이 거듭될수록 먹이(Food) 보상 조건보다는 뇌 자극 (WBS) 보상이 주어지는 조건에서 생쥐들은 조명이 켜진 보상구역으로 제대로 진입하는 확률이 높아졌다.
시작구역에서 보상구역으로 이동하는 시간은 어떠한 자극이 없는 경우(Sham-WBS)와 먹이 보상 조건에 비해 뇌 자극 보상으로 주어질 때(WBS) 가장 짧다. 생쥐들이 뇌 자극 보상을 받기를 더욱 추구한다는 것을 알 수 있다. (E) 보상을 얻는 방법이 잘 훈련된 생쥐의 공격성을 비교해 볼 때, 먹이 보상 조건보다 뇌 자극 보상 조건인 경우에 생쥐의 공격성이 현저히 낮다.
생쥐가 눈앞에 놓인 당장의 이익을 참고, 사회적 규칙을 만들고 이를 지킴으로써 보다 큰 장기적 이익을 도모하는 행동을 한다는 사실이 밝혀졌다. 기초과학연구원의 ‘인지 및 사회성 연구단’ 신희섭 단장 연구팀은 7일 쾌감자극 보상 실험으로 이런 유형의 생쥐의 사회적 행동을 관찰할 수 있었다고 밝혔다.
나비는 다른 나비가 먼저 꽃을 차지하고 있을 때는 싸우지 않고 피해간다. 한정된 자원을 두고 싸울 경우 받을 수 있는 피해와 스트레스를 감안해 상대방이 먼저 차지한 것을 인정하는 행동이다. ‘부르주아 전략’이라고도 불리는 이런 행동은 나비 외에도 실잠자리, 일부 거미들에서 발견된 적이 있지만 생쥐에서 관찰한 것은 이번이 차음이다.
연구진은 한 쌍의 생쥐가 한정된 자원을 놓고 갈등을 겪도록 실험을 고안했다. 실험을 위해 생쥐가 대기하는 구역 양 옆으로 보상 구역을 구분한 특수 상자를 제작했다. 좌우 보상 구역 벽면에는 하나씩 조명이 있는데 조명이 켜진 쪽 보상구역에 들어간 생쥐는 5초간 쾌감 자극을 받을 수 있다. 이 때 다른 생쥐가 따라 들어오면 쾌감 자극은 그 즉시 멈춘다.
실험을 여러 회 반복한 결과 연구진은 생쥐들이 쾌감을 얻기 위해 좌우 보상구역에 몰려다니면 오히려 정해진 시간 내 쾌감자극을 받을 수 있는 기회가 줄어듦을 알고 두 곳의 보상구역을 서로 나누어 맡는 행동을 보이는 것을 확인했다. ㄱ생쥐가 왼쪽 보상 구역에서 쾌감을 받을 때, ㄴ생쥐는 그 구역에 진입하지 않고 차례를 기다리다 오른쪽 보상구역에 조명이 켜지면 그곳에 가서 보상을 얻는 식이다.
논문의 교신저자인 신희섭 인지 및 사회성 연구단 연구단장(왼쪽), 제 2저자인 변준원 UST-IBS School 인지 및 사회성 연구단 연구원
연구진은 보상구역을 할당해 상대의 보상기회를 방해하지 않고 자신의 차례를 기다리는 이런 행동 패턴을 생쥐가 만든 ‘사회적 규칙’이라 보았다.
실험 생쥐 총 19쌍 중 약 60%가 훈련을 통해 이런 규칙을 세우고 지키는 것으로 확인됐다. 신희섭 단장은 “규칙을 무시하는 것이 단기적으로 이익이 될 수 있음에도 불구하고 장기적으로 모두에게 이득이 되는 방법을 택하는 생쥐의 행동은 인간 사회에도 시사하는 바가 크다”고 말했다. 이번 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈에 온라인에 게재됐다.