연구책임자 중 한 명인 미국 캘리포니아대 로스앤젤레스캠퍼스(UCLA)의 멜리사 샤프 연구원(심리학)은 “우리의 최근 연구에 따르면 도파민 신경세포의 발화는 뇌의 교육신호로 작용하는 것으로 나타났다”고 밝혔다. 그는 “도파민 신경세포의 활성화는 새롭고 두드러진 일이 일어날 때마다 발생하는데 우리가 새로운 기억을 만들기 위해 사건들을 함께 연관 짓는 것을 학습하도록 도와준다”며 “중요한 것은 도파민 신경세포가 스스로 사물을 ‘가치 있게’ 또는 ‘좋게’ 만들지 않고도 이러한 기능을 수행한다는 점”이라고 설명했다.
이러한 연구결과는 도파민을 행복 호르몬 또는 쾌락 호르몬으로 해석한 과거의 연구와 상충된다. 도파민 신경세포가 가치신호를 전달하지 않는다면 특정 경험이나 행동에 긍정적이거나 즐거운 특성을 어떻게 부여할 수 있을까?
연구진은 이를 확인하기 위해 도파민이 직접 가치신호를 부여한다는 것으로 해석돼 온 ‘두뇌 안 자기자극(ICSS‧intracranial self-stimulation)’에 초점을 맞췄다. ICSS는 생쥐들에게 지렛대를 누르면 도파민 신경세포에 전기자극이 가해지도록 하면 자발적으로 이를 눌러대는 현상을 말한다.
연구진은 생쥐 대상 ICSS실험에 동물이나 인간의 행동을 주도하는 인지 표현을 밝히기 위해 고안된 ‘파블로프-도구 전이’(PIT) 과정을 적용했다. PIT는 먹이를 의미하는 종소리가 울리면 개들이 저절로 침을 흘리게 된다는 파블로프 학습효과와 특정한 상황 또는 자극으로 특정한 행위를 수행하게 하는 도구학습 효과를 접목한 것이다.
샤프 박사는 “우리는 생쥐에게 어떤 단서(소리나 클릭)가 특정 결과(도파민 자극 또는 먹이)로 이어진다는 것을 가르쳐 준 다음 두 가지 지렛대 중 하나를 누르면 그에 해당하는 결과를 얻을 수 있음을 각인시켰다”고 설명했다. 이를 통해 특정 단서와 짝을 이루는 특정결과를 떠올리면 선택적으로 특정 지렛대를 누르게 되는 ICSS가 발생하도록 한 것이다.
연구진은 이 실험을 통해 몇 가지 흥미로운 결과를 도출했다. 첫째 연구진은 도파민 신경세포의 생리적 발화 비율이 도파민 신경세포가 직접 가치 신호를 전달한다는 것을 뒷받침할 정도에 미치지 못하다는 것을 발견했다.
그렇지만 도파민 신경세포 자극을 생리학적 발화 비율 이상으로 발생시키면 동물이 행동을 보이는 감각 특정 목표로 기능할 수 있다는 것도 관찰됐다. 즉, 도파민 신경세포의 높은 발화 빈도는 궁극적으로 생쥐가 PIT 효과와 관련된 쾌락 추구 행동에 참여하도록 유도하는 보상으로 작용할 수 있다는 것이다.
샤프 박사는 “이는 도파민 신경세포가 일상생활에서 발화할 때 자극을 주는 물질에 가치를 부여하는 것이 아니라는 것을 시사한다”고 지적했다. 그는 “대신 새로운 기억을 형성하거나 자극과 관련된 주변 환경의 물질이 어떻게 연관돼 있는지를 이해하는 데 도움을 주는 기능을 한다”며 “도파민 신경세포가 원래보다 더 많이 발화하는 경우(약물남용), 이는 뇌에서 보상 받을 수 있는 사건으로 각인돼 향후 약물을 찾을 가능성이 더 높아질 수 있다”고 설명했다.
전반적으로 이번 연구는 도파민과 보상기반(강화) 학습에서 도파민의 역할을 이해하는 데 크게 기여할 수 있다. 연구진은 향후 이번 연구결과를 검증하는 한편 특정 도파민 생성 신경회로의 고유한 기여를 조사하기 위한 추가 실험을 실시할 수 있을 것이다. 샤프 박사는 “우리는 이제 서로 다른 도파민 회로가 서로 다른 유형의 학습에 어떻게 기여하는지, 그리고 이것이 복잡하지만 통합된 환경 표현을 만드는 데 어떻게 도움이 되는지에 관심을 갖고 있다”고 말했다.
해당 논문은 다음 링크(https://www.nature.com/articles/s41593-024-01643-1)에서 확인할 수 있다.