하버드 여름학기의 "Neuroinvesting: Neuroscience and Financial Decision Making" 수업을 따라가면서 공부하는 자료를 정리하는 시리즈입니다. 본 수업의 주 교과서는 Glimcher, P. W., & Fehr, E. (Eds.). (2013). Neuroeconomics: Decision making and the brain. Academic Press. 입니다.

- 리스크와 불확실성의 차이: Frank Knight(1921)에 따르면, 리스크(risk)는 안좋은 상황에 대한 확률 분포를 확실하게 알고 있을 때를 말하고, 불확실성(uncertainty)은 그러한 확률조차 모를 때를 말합니다. 리스크와 불확실성은 가치에 기반한 판단을 하는데 중요한 요소입니다. 리스크를 고려한 가치의 변화는 striatum과 medial prefrontal cortex와 같은 부위와 관련이 있습니다.

리스크는 각 outcome에 대한 확률로 표현할 수도 있고, 평균과 표준편차로 표현할 수도 있습니다. 뇌는 리스크를 후자의 방식으로 받아들인다는 연구 결과가 일부 있습니다. 도파민 뉴런의 활성화 자체는 평균(mean)과 관계 있지만, 그 후 활성화가 지속되는 것에는 표준편차같은 리스크 파라미터를 반영합니다. 활성화의 지속도는 상황이 확실할 때(확률이 0 혹은 1)보다 불확실할 때(확률이 0.5 근처) 더 높게 나타납니다. 즉 변동성이 높아질수록 도파민 뉴런의 활성화 지속도는 증가하는 것입니다.

이는 평균과 변동성에 대한 반응이 temporal domain에서 분리되어 따로 코딩된다는 것을 의미합니다. fMRI 결과는 이러한 tonic variance-risk 시그널 외에도 phasic variance-risk signal도 보여줍니다. 이는 insula, lateral orbitofrontal cortex, cingulate cortex, posterior parietal cortex에서 나타나고, 이러한 phasic variance activation은 striatum의 phasic mean signal과 더불어 리스크와 수익의 spatial decomposition을 유도합니다. 요약하면, 어떤 outcome distribution에 대한 평균과 표준편차의 두 moment는 뇌에서 별도로 코딩되게 됩니다.

그 후 risk signal은 lateral prefrontal cortex에서 mean signal과 결합하게 되는데, 더 높은 변동성은 위험 회피 경향(risk averse)이 있는 사람에게는 평균과 관련한 활동을 저해하고, 위험 선호(risk-seeking) 경향이 있는 사람에게는 그러한 활동이 향상되는 것으로 나옵니다. 즉, 보상에 비해 리스크가 더 가중치가 높아지는 것입니다.

이 첫 두 moment 외에 세번째 moment인 skewness에 대한 연구도 있는데, 전반적으로 positive skewness를 선호하는 것으로 나타났습니다. 즉, 커다란 수익을 낼 수 있는 확률이 높은 분포를 선호했습니다. (positive skew > no skew > negative skew) Skew는 insula에 코딩되는 것으로 나타났습니다. 요약하면 Mean-variance의 분리는 OFC에서 일어나는 것으로 나타나고, variance와 skewness의 분리는 insula에서 나타나는 것으로 나타납니다.

- 개인의 리스크에 대한 태도는 tonic response의 차이로 나타났는데, 세로토닌 레벨 또한 리스크를 어떻게 받아들이는지에 대한 주요 요인으로 나타났습니다. 세로토닌 수치가 높을 수록 위험을 회피하는 경향이 높아지는 것으로 나타났습니다. 그 외에, 리스크를 선호하는 동물들에게는 orbitofrontal 부위가 많이 활성화하는 것이 나타났습니다. 이 연구 결과와 일치하게, OFC에 손상이 있는 환자들은 더 리스크 회피 경향이 높은 것으로 나타났습니다. (Hsu et al., 2005) 그리고 lateral and medial prefrontal cortex의 활동은, 리스크에 대한 개인의 태도에 좌우되는 것이 나타났습니다.

- 리스트에 대한 태도(risk attitude)는, 리스키한 선택의 전후에 lateral and medial prefrontal cortex의 활동에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. (참고로 vmPFC는 보상, 동기, 충동 자제, 무드, 공감력에 관련이 있고 LPFC는 사고, 계획, 작업 기억, 상상 등과 관련이 있습니다)

- 어떤 투자의 가능한 결과의 확률 분포를 알 때에 비해, 알지 못할 때는 dorsal anterior cingulate cortex (dACC)의 반응은 줄어들었습니다.

- 리스크에 비해서 불확실성(ambiguity)는 orbitofrontal cortex, amygdala와 parietal cortex에서 더 높은 평균 BOLD 수치를 나타냈습니다. 정보가 없을 경우에 비슷한 시그널을 주었습니다.

- 피실험자들이 a) 50%의 확률로 $5를 벌 수 있는 옵션과 b) 확률을 변화하거나 불확실성을 증가시킨 옵션 두 가지 중 하나를 선택하는 실험과 같은 경우에, 당면한 문제가 리스크인지 불확실성인지에 따라 뇌의 활성화가 달라집니다. 예를 들어, 불확실성이 증가할 경우 선택 옵션의 주관적 가치는 striatum, mPFC, PCC에 코딩됩니다.

- 확률이 경험이 아닌 언어같은 symbolic communication으로 피실험자들에게 전달될 경우, left dorsolateral PFC가 probability distortion을 보이는데, Prospect Theory와 일관되었습니다. (즉, 작은 확률의 과대평가와 큰 확률의 과소평가) 그에 반해 경험으로 확률을 습득할 경우, dorsolateral prefrontal brain region의 reward probabilty의 representation을 변화시켰습니다. 또한 경험을 통해 불확실성이 서서히 리스크로 변화하면서 contralateral dorsal prefrontal region이 활성화되는 것을 관찰할 수 있었습니다.

- 변동성이 경험으로 습득될 때는, 선택 반응 시간이 가속되는 경향이 있습니다. 또한 anterior cingulate cortex가 활성화되는데, 이는 여러 outcome의 volatility를 트래킹하며 learning rate을 조절하게 됩니다. 그 반면, 언어로 설명된 variance는 anterior insula cortex를 활성화합니다.

요약: 여러 연구들은, 리스크 시그널이 뇌의 다양한 부위에서 나타난다는 것을 보여줍니다. 도파민 뉴런, striatum, OFC, mPFC 등에서 나타나는데, 이 외에도 posterior cingulate and parietal cortex를 포함하는 dorsal and posterior region 또한 관련이 있습니다. Value and risk signal은 시간상으로, 또한 뇌의 spatial location 상으로 서로 부분적으로 분리된 것처럼 보입니다. 예를 들어 mean은 striatum에, variance와 skewness는 cingulate and insula에 나타납니다. 아직 뇌가 어떤 risk decomposition을 선호하는지는 불명확합니다. (outcome-probability인지 risk-return인지) Outcome-probability decomposition은 간단한 선택 옵션에 대해 배우는데 유용하고, mean-variance-skewness decomposition은 더 복잡한 케이스를 다루는데 유용합니다. 따라서 뇌가 두 가지 decomposition을 다 사용할 가능성도 있습니다.

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Intertemporal Choices

대부분의 선택은 미래에 영향을 줍니다. 현재와 미래의 결과에 서로 상충하는 trade-off가 존재할 때, 이러한 선택을 intertemporal choice라 합니다. 미래의 결과를 산정할 수 있는 능력은 의사 결정의 중요한 기본입니다. Intertemporal choice에 대한 연구들은, 지연된 결과(delayed outcome)은 즉각적인 결과에 비해 할인된다는 것을 보여줍니다. 그리고 그 할인 함수는 hyperbolic으로 보이며, 시간이 흐름에 따라 preference가 반전함을 보여줍니다.

처음에, 이 hyperbolic 할인 효과는 즉각적 보상을 계산하는 시스템과, 즉각적 보상뿐만 아니라 지연된 보상도 같이 계산하는 시스템, 이 두 시스템의 상호 작용의 결과라고 생각되었었습니다. 초기 연구들은 ventromedial prefrontal cortex, posterior cingulate cortex, ventral striatum이 즉각적 보상에 더 활성화되었고, lateral prefrontal cortex, posterior parietal cortex는 지연된 보상에 더 활성화되는 것을 보여주었습니다.

하지만, Kable과 Glimcher(2007, 2010)같은 후속 연구자들은, 일반적으로 사람들에게 있어 즉각적 보상이 지연된 보상보다 크기 때문에, 위에서 언급한 부위들이 보상의 주관적 크기에 따라 활성화되는 것이라고 반론했습니다. 실제 연구에서, 이러한 부위들의 활성화는 지연 시간보다 주관적 가치에 더 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 그에 이어진 연구에서, medial prefrontal cortex, posterior cingulate cortex, striatum의 활성화는, 온전히 주관적 가치에 대한 반응으로만 설명될 수 있다는 것을 밝혔습니다. 그 후 많은 연구들이 이 세 부위가 즉각적 보상에 반응하지 않고, 분야(음식이든 돈이든)에 상관없이 주관적 가치를 encode하며, intertemporal choice에서는 지연된 보상의 주관적 가치를 encode한다는 것을 밝혔습니다. 특히 medial prefrontal cortex의 증가된 활동은 지연된 보상을 선택할 것을 예측하는 가장 중요한 시그널임을 알게 되었습니다.

할인율에 관하여: 인지 능력이 높을수록, 그리고 나이가 들수록, 할인율이 낮아졌습니다. 즉, 인내심이 더 많아졌다고 해석할 수 있습니다. 할인율이 높은 사람들은 술담배, 약물, 도박, 비만의 확률이 높았습니다. 뉴런 레벨에서, lateral frontal cortex의 활동이 할인율의 하락에 기여한다는 가설도 있습니다. 인지 능력은 lateral frontal cortex의 활동과 관련이 있으며, lateral frontal lobes의 integrity와 관련이 있습니다. 또한 prefrontal cortex의 변화는 약물 중독자들에게서 많이 관찰됩니다.

하지만 이 lateral frontal cortex가 정확히 어떻게 할인율에 영향을 주는지에 대한 기제는 아직 확실하지 않습니다. 가능한 설명으로는 1) 행동 선택에 관여함으로써 즉각적 보상의 선택을 막는다는 것, 2) 특정한 장기적 목표에 집중을 유도한다는 것, 3) 지연된 보상을 계산하는데 있어서 인풋 / 아웃풋에 영향을 준다는 것 등이 있습니다. 이렇게 엇갈리는 설명들이 존재하는 이유는, lateral prefrontal cortex가 관련되는 선택들이 보통 복잡하기 때문입니다.

또다른 설명은, 현재 어떤 정보가 프로세싱되느냐에 따라 lateral prefrontal 부위의 활성화에 따른 영향이 결정된다는 것입니다. 실험에서는, 주의를 보상의 크기로 집중하도록 하면 지연된 선택을 할 가능성이 높아지고, 지연된다는 사실에 주의를 집중하도록하면 즉각적 보상을 주는 선택을 할 가능성이 높아지는 것이 나타났습니다.

최근 연구에서는 medial prefrontal region 또한 할인율에 영향을 줄 수 있다는 결과가 보입니다. 이 부위는 지연된 보상의 주관적 가치를 트래킹합니다. 피실험자들에게 미래에 대해 생각하게 하면, 이 부위의 활동이 할인율과 상관 관계를 보이는 것을 관찰할 수 있습니다. 미래의 자신에 대해 판단하라는 질문을 했을 때, 인내심이 없는 사람들은 이 부위의 활성화가 덜했습니다. 또한 인내심을 요구하는 활동을 하게 했을 때 이 medial prefrontal region이 더 활성화되었습니다. 그 외에, 흡연자들에게 금연 캠페인을 보여줄 때 이 부위의 활성화가 높은 흡연자일수록 금연율이 높았습니다. 게다가 이 부위에 데미지를 입은 환자들은 할인율이 높아지는 것이 관찰되었습니다.

보통 자기 절제를 요구하는 활동은, 최초의 선택 외에 해당 선택을 유지하는 것이 요구됩니다. 예를 들어 마약을 끊거나 다이어트를 하는 것은 시작뿐만 아니라 이를 유지하는 것이 중요합니다. 전통적인 금융학에서는 개인이 선택을 하면 그 선택이 시간에 따라 유지됨을 가정합니다. (stationarity axiom) 하지만 사람들의 할인이 hyperbolic하면, 시간이 흐름에 따라 선호가 변화하는 경향이 나타납니다. 아이들에 비해 참고 유지하는 능력이 큰 어른들의 뇌에서는, inferior frontal 부위의 활성화를 비롯해 더 강한 cognitive control process의 증거가 발견되었습니다. 물론, 지연된 보상이 도달하는 시간이 불확실하면 이야기는 달라집니다.

이런 자기 절제에 대한 연구는 신경경제학에서 막 시작되는 토픽이며, 향후 연구는 인내를 요하는 행동을 어떻게 권할 수 있는지에 초점이 맞춰지고 있습니다.