▲ 두 생쥐 간 뇌 자극 보상을 향한 경쟁 실험 모식도

당신이 원하는 무언가가 매우 제한적으로 주어질 때, 당신은 주로 어떻게 행동하는가? 우리는 살아가면서 한정적인 자원을 차지하기 위해 다른 사람과 언쟁이든 몸싸움이든 경쟁하기 쉬운 생황에 놓인다. 그러나 경쟁은 감정적으로나 신체적으로 매우 소모적인 특성이 있다. 많은 피해 비용과 스트레스가 뒤따르기 때문인데, 갈등상황에서 경쟁 외에 해결책은 없는 걸까?

게임 이론에서는 갈등 상황에서 규칙을 만들고 질서를 지킴으로써, 서로의 이익을 늘릴 수 있다고(Win-Win현상) 말한다. ‘부르주아 전략’이라 불리는 이 전략은 자원에 먼저 도달한 개체는 자원을 누리고, 늦게 도달한 개체는 먼저 도달한 개체를 공격하지 않는 것이다. 메이너드 스미스가 말했던 매-비둘기 모델에서 나온 개념으로, 자원 독점을 위해 싸우거나(매파) 무조건 회피하는 전략(비둘기파)보다는 두 전략을 적절히 혼합한 전략이다. 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.

연구에서 사용한 뇌심부 전기자극에 의한 쾌감 자극은 중독성이 없고, 이전 연구들에 따르면 생쥐들이 교미를 통한 쾌감보다도 본 실험에 쓰인 쾌감을 더 선호한다고 알려져 있다. 뇌심부 전기자극은 파킨슨병 또는 중증 우울증 환자들을 위한 시술 요법에도 활용되는 기술이다. 본 연구에서 개발해 사용한 기술은 무선으로 자극을 준다는 점이 특징으로, 상호작용하는 두 마리 생쥐에서의 행동 분석에 이용됐다.

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. 같은 방향의 보상 구역을 할당받은 쥐들을 모아 재 실험하여 규칙을 준수하는 행동이 좌/우 방향의 습관적 선호로 인한 행위가 아님을 증명했다. 재 실험 초반에는 두 생쥐 모두 같은 쪽을 향하지만, 이후 즉각적으로 한 쥐가 할당 구역의 방향을 바꾸는 적응 행동을 보였다. 이러한 현상을 전문용어로 "rapid rule transfer"라고 하는데, 이는 쥐들이 이미 배운 사회적 규칙을 익숙하지 않은 새로운 환경에 처했을 때에 재빨리 적용하는 것을 의미한다.

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] 생쥐 뇌 자극 헤드셋 및 보상 시스템 학습

▲ [그림 2] 실험 회 차 진행(학습)에 따른 사회적 규칙 준수 정도