의사결정 구조 드디어 밝혀져(하버드대)

의사결정 구조 드디어 밝혀져(하버드대)

인간의 의사결정이란 어떤 현상을 말하는 것까요?
미국 하버드 대학에서 진행된 연구에 의해 의사결정이 이루어질 때 뇌 내 신경 네트워크가 사용하는 '기초적인 규칙'이 판명되었습니다.

연구에서는 특히 T자 도로에서의 양자택일의 상황이라고 하는, 가장 단순화된 의사결정을 조사하고 있으며, 근본적인 구조에 가까운 것이었습니다.
지금까지 의사결정이 일어나는 구조에 대해 많은 이론적 주장이 있었지만, 피질(대뇌나 소뇌의 외부층을 이루는 회백질부)에서 실제로 확인할 수 있었던 것은 이번이 처음입니다.

어떤 뉴런이 연결되고 어떻게 활성화되는 것이 '의사결정'이 될까요?

자세한 연구 내용은 2024년 2월 21일에 「Nature」에 게재되었습니다.

Research reveals how neurons in the brain are wired to help a mouse make decisions. The findings suggest that different sets of neurons work together to solidify choices. The study establishes how specific connections between neurons in the brain support decision-making.

Scientists have gained new insights into how neurons in the brain communicate during a decision, and how the connections between neurons may help reinforce a choice.

◆ 의사결정이라는 현상은 어떻게 발생하는가?
우리의 뇌는 살아있는 한 모든 면에서 '의사결정'을 계속하고 있습니다.

T자 도로에서 좌우 어느 쪽으로 돌 것인지, 오늘 저녁을 한식으로 할 것인지 외식을 할 것인지, 좋아하는 사람에게 마음을 털어놓을지, 숨긴 채 있을 것인지…...
우리 인생에서 하루라도 의사결정이 내려지지 않는 날은 존재하지 않습니다.

지금까지 축적되어 온 연구에 따르면, 의사결정의 중추가 대상피질이라고 하는 대뇌피질의 뒷면이 관련되어 있다는 것을 서서히 알게 되었습니다.
이러한 대상피질은 대뇌피질의 안쪽에 존재합니다

2015년에 일본의 이화학연구소(理化学研究所)에서 발표된 연구에서도 이 영역이 장기(바둑, 장기 등) 기사들에게 공격이나 방어의 선택을 직감적으로 내리는 전략 결정의 중추임을 보여주고 있습니다.
또 최근의 연구에서는 대상피질의 뒤 절반에 해당하는, 후(後)대상피질(PCC)이라고 하는 영역이 의사결정에서 큰 역할을 하고 있는 것이 밝혀졌습니다.

후대상피질(PCC)의 위치

또 후(後)대상피질에서 이루어지는 의사결정의 구조는, 단순한 신경회로의 「온·오프(ON·OFF)」라는 단순한 것이 아니라, 다수의 뉴런이 포함되는 복잡한 신경 네트워크의 기능에 의해서 이루어지는 것도 밝혀졌습니다.

단지, 예를 들어 좌우의 선택을 할 때 등, 이러한 복잡한 신경 네트워크를 구성하는 뉴런이, 어떻게 연결되어 있으며, 어떻게 활성화되면 「의사」의 「결정」이 될지는 수수께끼였습니다.
(※이론 연구 등에서는 의사결정의 구조를 예측하는 몇 가지 가설이 제안되어 왔지만, 실제로 확인되지는 않았습니다)

그래서 이번에 하버드대 연구자들은 T자 도로를 나아가는 생쥐가 의사결정을 할 때의 뇌 활동을 자세히 살펴보고 신경 네트워크의 움직임을 알아보기로 했습니다.
즉, 의사결정의 「기초적 규칙」을 탐색하는 것입니다.

◆ 의사결정의 '기초적 규칙'을 특정하다
의사결정의 「기초적 규칙」은 어떤 것인가?
앞서 살펴본 바와 같이 이 기초적인 규칙이 네트워크 전체의 활성화나 불활성화와 같은 단순한 ON·OFF의 구조가 아님을 알 수 있습니다.

그 때문에 구조를 해명하려면, 쥐들의 신경 네트워크를 구성하는 모든 뉴런과 모든 접속을 알아야 합니다.
조사에서는 우선, 쥐의 후(後)대상피질에 대해서, 강하게 활동하는 뉴런만큼 강하게 빛나는 구조 「2광자 칼슘 이미징법」을 채택했습니다.

(※2광자 칼슘 이미징에서는 세포의 활동 강도에 따라 강하게 형광이 나타나는 칼슘 센서 단백질이 사용됩니다. 이 빛나는 단백질의 설계 정보는 바이러스 감염에 의해 쥐의 후(後)대상피질에 전달됩니다.)

쥐들이 가상현실 속에서 미로를 헤쳐나갔습니다.
쥐들이 가상현실 속에서 미로를 헤쳐나갔습니다 / / Credit:Aaron T. Kuan et al . Synaptic wiring motifs in posterior parietal cortex support decision-making . Nature 2024

쥐들이 가상현실 속에서 미로를 헤쳐나갔다

그리고 쥐들을 T자 길의 미로를 나아가게 하고 나아갈 방향의 의사결정을 하게 합니다.
정답의 방향을 선택한 경우에는 보상으로 물을 주었습니다.

이렇게 함으로써 의사결정을 담당하는 신경 네트워크에서 어떤 뉴런과 어떤 뉴런이 어떻게 접속하고 있는지를 전체적으로 조사할 수 있게 됩니다.
(※다만 이 작업은 매우 꾸준하며, 자동화된 관측 시스템을 도입했음에도 불구하고 모든 뉴런과 모든 시냅스를 특정하는 데는 몇 달이 걸렸습니다)

미로를 가면 신경 네트워크가 활발하게 발화하고 있는 모습을 알 수 있습니다.
미로를 가면 신경 네트워크가 활발하게 발화하고 있는 모습을 알 수 있습니다. / / Credit:Aaron T. Kuan et al . Synaptic wiring motifs in posterior parietal cortex support decision-making . Nature 2024

미로를 가면 신경 네트워크가 활발하게 발화하고 있는 모습을 알 수 있다.

다음으로 연구자들은, 이 3차원 구조에 의사결정을 하고 있을 때의 뉴런의 실시간의 활동기록을 조합해, 의사결정 시에 일어나는 네트워크의 활동 패턴을 1뉴런 수준, 1시냅스 수준에 대하여 「볼 수 있는 것」을 실현했습니다.

그렇게 함으로써 얻은 것이, 위의 동영상이 됩니다.
동영상의 왼쪽은 T자 길을 진행하는 모습을 쥐 관점으로 보여주고 있고, 오른쪽은 그 때 쥐의 신경 네트워크 활동을 보여주고 있습니다.
결과, 놀라운 사실이 밝혀집니다.

◆ 처음으로 입증된 의사결정의 간단하고 강력한 규칙
우선 우회전 뉴런(ER)이 흥분하면 억제하는 뉴런(IR)이 활성화돼 좌회전 뉴런(EL)이 억제됩니다
우선 우회전 뉴런(ER)이 흥분하면 억제하는 뉴런(IR)이 활성화돼 좌회전 뉴런(EL)이 억제됩니다 / / Credit:Aaron T. Kuan et al . Synaptic wiring motifs in posterior parietal cortex support decision-making . Nature 2024

우선 우회전 뉴런(ER)이 흥분하면 억제하는 뉴런(IR)이 활성화돼 좌회전 뉴런(EL)이 억제된다

가장 먼저 밝혀진 것은 네트워크 내부에는 '다른 뉴런을 흥분시키는 흥분성 뉴런'과 '다른 뉴런을 억제하는 억제성 뉴런'이 있다는 점이었습니다.
그리고 쥐 가 우회전을 결정했을 때는 그 중 일부의 흥분성 뉴런(우회전 뉴런)이 활성화되고, 동시에 좌회전을 결정했을 때 흥분해야 했던 좌회전 뉴런을 억제하는 억제성 뉴런을 기동시켰습니다.
반대로 좌회전을 결정했을 때는 좌회전 뉴런이 흥분함과 동시에 우회전 뉴런을 억제하는 억제성 뉴런이 기동하고 있었습니다.

이 결과는 의사결정을 하는 신경 네트워크에는 각각의 선택에 대응해 흥분하는 뉴런들(우회전 뉴런과 좌회전 뉴런)이 존재하는 것, 또 동시에 그 뉴런들은 선택받지 못한 쪽의 뉴런의 움직임을 억제하고 있었습니다.

즉 의사결정에서는 선택한 쪽의 활성화와 선택하지 않은 쪽의 억제화가 세트로 일어나고 있었던 것입니다.
연구자들은 '양자택일의 상황에서 이 기본 규칙은 직감적으로 이치에 맞고 우유부단함을 허용하지 않는 심플하고 강력한 구조가 된다'고 말하고 있습니다.

선택하지 않는 쪽을 억제하는 것에는, 의사결정의 안정화시켜, 결정의 변화를 막는 데 도움이 되고 있다고 추측되기 때문입니다.
그렇다고 하는 것도 실수를 저지르는 것보다 결정을 내리지 못하는 것은 종종 더 큰 불이익이 됩니다.

결정만 내릴 수 있다면 적어도 틀린 쪽을 특정하고 정답 쪽을 다시 고를 수 있습니다.
또 내린 결정을 유지하지 못하면 자꾸 분기점으로 돌아오게 되고, 이쪽도 결국 정답에 도달하지 못합니다.

결단을 내리는 시스템과 결단을 유지하는 시스템의 2개는 세트가 되어 「의사결정」을 하고 있었다고도 말할 수 있습니다.
프로그램이나 기계공학의 지식이 있는 사람들이라면, 구조 자체는 「흔한 것」이라고 생각할 수 있을 것입니다.

앞에서도 말했듯이 이론 연구에서도 비슷한 구조가 반복적으로 제안되어 왔습니다.
그러나 실제의 관측으로부터, 의사결정의 구조가 실증된 것은, 이번 연구가 처음입니다.

연구자들은 유사한 의사결정 구조가 인간의 뇌에도 존재할 가능성이 높다고 말합니다.
또한 의사결정의 구조가 실증된 것으로, 구체적인 약의 개발도 드디어 시작할 수 있습니다.

지금까지의 연구에서는 알츠하이머병, 조현병, 의존증 등의 환자들이 올바른 선택을 하는 데 어려움을 겪는 것으로 알려져 있습니다.
(※예를 들어 알코올 의존증의 경우 술을 마시지 않는 선택을 하거나 마시지 않는 선택을 유지하는 것도 어렵습니다.)

의사결정의 구조를 해명할 수 있다면, 결단을 내리는 것이나 결단을 유지하는 것을 도와주는 약을 개발할 수 있는 가능성도 있는 것입니다.

*재미있거나 도움이 되셨다면 '구독' 꾹 눌러 주시기를 부탁드립니다. 늘 행복하세요.

 

How Does the Brain Make Decisions?
https://hms.harvard.edu/news/how-does-brain-make-decisions

Synaptic wiring motifs in posterior parietal cortex support decision-making
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07088-7