기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 인지 및 사회성 연구단 신희섭 단장 연구팀은 눈앞에 놓인 당장의 이익을 참고, 질서 있게 규칙을 지켜 더 큰 장기적 이익을 얻으려는 생쥐의 행동을 관찰하는 데 성공했다. 설치류에서 이러한 행동 패턴을 관찰한 것은 처음이다. 동물이 사회적인 이해관계 속에서 비용과 이익을 어떻게 따지고 행동하는지에 대한 이해를 넓혀줄 것으로 기대된다.

생물은 한정된 자원을 두고 흔히 다른 개체와 갈등 상황에 놓인다. 많은 피해 비용과 스트레스가 뒤따르는 경쟁 외에 해결 방법은 없을까? 게임 이론에서는 갈등 상황에서 규칙을 만들고 질서를 지킴으로써, 서로의 이익을 늘릴 수 있다고(Win-Win현상) 말한다. ‘부르주아 전략¹⁾’이라 불리는 이 전략은 자원에 먼저 도달한 개체는 자원을 누리고, 늦게 도달한 개체는 먼저 도달한 개체를 공격하지 않는 것이다. 실제로 나비나 실잠자리, 일부 거미들에서 이러한 부르주아 전략적 행동이 발견된 바 있지만, 대표적인 실험동물인 생쥐가 비용과 이익에 대한 사회적 판단이 가능한지는 미지수였다.

IBS 연구진은 한 쌍의 생쥐가 뇌 자극에 의한 쾌감을 얻기 위해 갈등을 겪는 실험을 고안했다. 이 쾌감은 중독성이 없고 생쥐가 매우 선호하는 보상이다. 실험을 위해 가운데 구역(실험 시작 구역)과 좌우 양쪽 구역(보상받는 구역)이 구분된 특수 케이지를 제작했다(그림1 참고). 쾌감은 생쥐 머리에 씌운 헤드셋에 적외선을 조사하여 일으키는데, 보상행동 조절과 관련된 뇌신경(내측전뇌다발)에 전기 자극을 무선으로 전달하는 방식이다.

한 쌍의 생쥐가 함께 가운데 구역에 들어갔을 때 1회 차 실험이 시작된다. 케이지의 좌우 보상구역 벽면에는 각각 LED 조명이 하나씩 설치돼 있는데, 무작위로 한쪽 씩 켜졌다 꺼진다. 조명이 켜진 쪽 보상구역에 들어간 생쥐는 5초간 쾌감 자극을 받을 수 있는데, 다른 생쥐가 따라 들어오면 쾌감 자극은 그 즉시 멈춘다. 여러 차례 훈련을 통해 생쥐들은 가운데 구역에 동시에 들어갔을 때 좌우 보상구역 중 한 곳에 조명이 켜진다는 점, 조명이 켜진 쪽의 보상구역으로 가야 쾌감자극을 받을 수 있다는 점, 상대방이 뒤늦게 보상구역으로 들어와 침범하면 자신이 받고 있던 쾌감 보상이 중단된다는 점을 인지하게 된다. 두 생쥐가 다시 가운데 구역으로 진입하면(협동행위) 다음 회 차 실험이 시작된다.

여러 회 차를 반복하며 실험한 결과, 연구진은 생쥐들이 쾌감을 얻기 위해 좌우 보상구역에 몰려다니면 오히려 정해진 시간 내 쾌감자극을 받을 수 있는 기회가 줄어듦을 인지하고, 두 곳의 보상구역을 서로 나누어 맡는 행동을 보이는 것을 확인했다. 예를 들면 생쥐(A)가 왼쪽 보상 구역에서 쾌감을 받을 때, 생쥐(B)는 그 구역에 진입하지 않고 자신의 차례를 기다리다가, 오른쪽 보상구역에 조명이 켜지면 오른쪽 구역으로 가서 보상을 얻는 방식이다. 연구진은 보상구역을 할당하여 상대의 보상기회를 방해하지 않고 자신의 차례를 기다리는 이러한 행동 패턴이 생쥐가 만든 ‘사회적 규칙’이라 보았다. 실제로 실험 생쥐 총 19쌍 중 약 60%(38마리 중 23마리)가 훈련을 통해 이러한 사회적 규칙을 세우고 지키는 것으로 확인됐다.

생쥐마다 보상을 얻는 요령을 숙지하는 데 걸리는 시간이 상이했지만, 실험 회 차가 거듭될수록 생쥐는 보상구역을 할당하고 상대를 방해하지 않는 사회적 규칙을 점점 더 잘 지키는 것으로 확인됐다. 규칙 준수, 즉 신뢰를 바탕으로 하는 협동이 장기적으로는 모두에게 더 많은 보상으로 돌아온다는 사실을 학습하게 된 것이다. 연구진은 생쥐가 규칙을 지키는 행위가 생쥐의 몸무게나 친밀도, 학습능력, 혹은 습관적 방향 선호 등과 같은 요인들과 무관함을 증명해 연구의 신뢰성을 높였다.

이 연구결과는 설치류가 사회적인 갈등의 해결을 위하여 충동적인 경쟁 보다는 사회적 규칙을 만들어 지키는 행동을 확인한 연구로서, 동물의 인지 및 사회성 행동 연구에 크게 기여할 것으로 기대된다. 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. 본 연구결과는 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF=12.124)에 한국시간으로 11월 8일 새벽 1시 온라인에 게재됐다.

▲ [그림 1] 두 생쥐 간 뇌 자극 보상을 향한 경쟁 실험 모식도연구진이 생쥐 실험을 위해 특수 제작한 케이지를 위에서 본 모습을 단순화하여 표현했다. 케이지는 크게 가운데 구역(실험 회 차 시작 구역)과 두 개의 아크릴판으로 나뉜 좌우 보상구역으로 나뉜다. 가운데 시작 구역에서 한 쌍의 생쥐는 출발한다. 좌우 보상구역의 벽면에 놓인 파란 조명이 무작위로 한 쪽씩 들어오는데, 이 때 우측 조명이 켜졌다면 생쥐는 아크릴판을 돌아서 그림과 같이 우측 보상구역 안에 들어가야 5초간 쾌감을 얻을 수 있다. 한 생쥐가 쾌감을 얻는 동안 다른 생쥐가 뒤따라와 방해한다면 쾌감 자극은 즉시 중단된다. 때문에 이를 인지하는 좌측의 생쥐는 보상구역을 따라 들어가지 않고 상대가 쾌감을 얻는 동안 기다린다. 먹이를 보상으로 제공하는 그룹도 보상의 종류만 소분된 사료로 대체될 뿐, 실험은 동일한 방식으로 진행된다.

▲ [그림 2] 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.

▲ [그림 3] 실험 회 차 진행(학습)에 따른 사회적 규칙 준수 정도 19쌍의 생쥐를 대상으로 총 20세션, 하루에 한 세션, 세션 당 20분 간 40회의 실험을 진행, 생쥐의 보상을 받는 구역별 위치를 색깔별로 표시해 기록한 데이터이다.
좌측 보상구역(Z_L)을 할당받은 생쥐(M_L)가 해당 구역에서 세션의 40회 모든 실험에서 보상을 받았으면 그 세션은 빨간 색으로 나타난다. 우측 보상구역(Z_R)을 할당받은 생쥐(M_R)가 해당 구역에서 마찬가지로 40회 보상 받았으면 녹색으로 표시된다. 두 생쥐가 40회중 나누어 보상을 받았으면, 그 비율에 따라서 그 세션은 적~녹색 사이의 색깔로 표시된다. 실험의 초반보다 후반부로 갈수록 좌측 보상구역에 좌측 담당 생쥐가(20번 째 세션으로 갈수록 대체로 빨간색으로 표시), 우측 보상구역에 우측 담당 생쥐가(20번 째 세션으로 갈수록 대체로 녹색으로 표시) 온전히 보상 받는 것으로 보아, 생쥐들이 학습을 통하여 사회적 규칙을 더 안정적으로 준수한다는 것을 알 수 있다.
규칙을 지키는 행동이 생쥐에게는 능동적인 노력을 필요로 하는 것으로 보인다. 그림 b의 오른 편, Quarter 4를 보면, 다른 생쥐가 보상을 받는 5초의 시간 동안에 규칙을 지키는 생쥐는 상대방의 보상 구역에 가까이 가는 것을 적극적으로 피하는 행동을 보인다.