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.

알콜, 니코틱, 마약 등의 중독성 약물은 다양한 neurochemical 메커니즘으로, dopamine reward pathway라고 불리는 특정한 뇌 시스템을 통해 병적인 이상을 만들어냅니다. 병적인 도박 증세를 보이는 거의 모든 사람이, 약물에 중독되지 않더라도 약물 중독자들과 똑같은 neurochemical disorder를 보입니다.

fMRI 실험은, 실제 혹은 잠재적 가치에 대한 정보를 프로세싱하는 보상 시스템의 특정한 뉴런들에게서 firing rate이 변화됨을 보여줍니다. 이러한 뉴런들의 spike rate이 상승하는 것은, 해당 자극이 뇌에게 기대보다 낫다는 것을 의미하고 하락하는 것은 기대보다 못하다는 것을 나타내며, 변화가 없는 것은 기대치와 같다는 걸 의미합니다. 도파민 보상 시스템은 이러한 temporal discount learning을 행합니다.

뇌의 보상 시스템은 진화적으로 오래된, 다른 척추동물들과 공통되는 뇌 내부쪽 부위와, 인간의 차별적 진화에 필수였던 prefrontal cortex(PFC)의 부위의 측면들을 모두 아우릅니다. 수년 전까지만 해도 오래된 부위를 limbic system이라 하고 최근 진화된 부위를 cognitive system이라고 했는데, 이에는 감정적 반응은 원시적이고 이성적 반응은 진화의 결과라는 가정이 작용했습니다. 하지만 최근에는 이게 잘못되었다는 것이 밝혀지고 있습니다. 오래된 부위도 여러 이성적 계산을 하며, 감정적인 판단이 frontal cortex의 기능에 필수적이란 것이 관찰되고 있습니다. 그럼에도 두 가지 다른 종류의 부위가 다른 진화적 환경 속에 발달한 것에는 이견의 여지가 없습니다.

뇌 내부(interior) 부위에는 striatum과 nucleus accumbens(NAcc)가 있는데, 후자는 특히 중독에 많은 관련이 있습니다. Striatum은 hypothalamus, amygdala, hippocampus로 이루어진 "감정 센터"("emotional center")와 밀접히 상호작용합니다. 그 아래에는 "basecamp for reward"라 불리는 ventral tegmental area(VTA)와 substantia nigra(SNpc)의 일부가 있습니다. PFC의 바닥에는 cortical reward processing을 주관하는 orbitofrontal cortex(OFC)가 있습니다.

다년간 동물 실험을 통해, ventral tegmental area(VTA)와 substantia nigra(SNpc)가 뇌의 나머지 부위로 보상 신호를 보내는 것으로 알려졌습니다. 이는 쥐가 해당 부위를 자극할 수 있는 레버를 누르게 했을 때, 물이나 음식도 무시하고 죽음에 이르도록 레버를 누르는 것을 통해 밝혀졌습니다. 그 패턴으로부터 중독의 실마리를 발견했습니다.

뉴런은 배전반같이 전기 자극을 쏘는 것이 아니라, 시냅스에서 화학물질을 발산함으로써 서로간에 시그널을 받을 확률을 조절합니다. 보상 프로세스에는 세 가지 중요한 시스템이 있는데, 각각 특정 neurotransmitter와 연관되어 있습니다. Serotonergic system(serotonin), Dopaminergic system(dopamine), Noradrenergic system(norepinephrine) 세 가지며 괄호 안은 neurotransmitter입니다.

세로토닌은 nerve cell 간에 메세지를 전달하며 부드러운 근육의 수축과, 건강과 행복에 기여합니다. 또한 신체 리듬과 육체의 수면-기상 사이클을 관장합니다. 또한 식욕, 감정, 운동, 인지과 자율신경에 관여하는데 정확한 기제는 밝혀지지 않았습니다. 기분(mood)의 밸런스에도 중요한 역할을 하는 것으로 보이며, 낮은 세로토닌 레벨은 우울증과 연관이 있습니다.

도파민은 실행 기능(executive function), 운동 제어, 동기, 흥분, 강화(reinforcement), 보상에 중요한 역할을 하며, lower-level function인 수유, 성적 쾌감, 구역질에도 관련이 있습니다.

노르에피네프린은 뇌와 신체를 행동을 위해 준비하는 역할을 합니다. 수면 시에 노르에피네프린 분비는 가장 낮고, 기상 시에 증가하며, 스트레스 받거나 위험에 쳐했을 때 최고치에 달합니다. 노르에피네프린은 흥분과 각성 수준을 높이며, 경계, 집중력, 기억 저장 및 검색 능력을 향상시키며, 초조감과 불안감도 증가시킵니다.

보상 시스템은 ventral tegmental area(VTA)와 substantia nigra(SNpc)에서 아웃풋되는 도파민 펄스를 계산하는 뇌의 프로세스들을 말합니다. 시그널은 hypothalamus가 받는데, 이 부위는 기본적인 신체 상태(혈당 및 온도 등)를 모니터합니다. 이런 상태의 내부적인, 무의식적인 변화는 전체 시스템의 현재 효용과 기대 효용에 달려 있습니다. Hypothalamic information은 보상 시스템의 기본적인 인풋이며, 보상을 쾌감과 연결시킵니다.

비록 보상과 쾌감은 관련이 있지만, 같은 개념은 아닙니다. Pleasure system은 매우 기본적인 자극(온도, 성적인 자극)에만 반응하며, 보상 시그널에 의해 조정을 많이 받지 않습니다. 쾌감은 사람들에게 있어 보상의 신뢰성있는 proxy가 아닙니다. 우리가 쾌감으로 해석하는 것은, 쾌감 시그널과 보상 시그널 간의 second-order association에 의한 것일 확률이 큽니다.

익숙한 자극에 비해서 예측 불가능한 자극은 VTA, Nacc, ventral striatum에서 더 강한 반응을 생성하는데, 더 강한 NAcc 반응은 VTA에서의 더 높은 도파민 레벨에 의한 것입니다. 이 반응은 긍정적인 surprise을 나타내며, 도파민 뉴런들은 neutral 자극이나 혐오스러운 자극에는 미미한 반응만을 보입니다. 따라서, 상식과는 달리, 보상과 벌은 동일한 뇌의 시스템에서 코딩되지 않습니다. 이는 왜 중독에 대한 벌이, 그 자체만으로는 효과가 없는지 이해하는데 중요합니다.

도파민 뉴런들은 해당 자극이 실제 보상과 기대치간의 차이에 관련이 있느냐에만 상관을 합니다. 그들은 자극을 전달한 감각의 양상(sensory modality)에 대해서는 차별을 두지 않습니다. 그렇기 때문에 중독에서 벗어나려는 사람들에게 있어서 이전 습관과 관련되는 환경의 어떤 것이든 잠재적으로 재발을 일으킬 수 있는 것입니다.

도파민의 학습 기능(learning function)은 neural resource를 배분하고 행동을 일으키는 메커니즘입니다. VTA와 SNpc는 직접적으로 motor anterior cingulate와 motor PFC에 프로젝트를 합니다. 이 경로를 통해, 도파민 시그널은 운동 습관(motor habit)을 동반(entrain)하는데, 육체적 행동 습관과 생각 습관을 모두 동반합니다.

보상 시스템과 관련해서, 어떤 것에 주의를 기울이는 것과 어떤 것에 관련한 행동을 하는 것은 동일하게 받아들여집니다. 예를 들어, 도박에 대해 생각하는 것과 실제 도박하려고 바쁘게 준비하는 것 간에 뇌가 받아들이는 차이는 없습니다.

성격(personality trait)는 어떤 사람이 본인과 타인과 환경과 관계하는 방법과 관련하여, 체계화되고 지속되는 특성을 말합니다. 이러한 패턴들은 인지, 사회적, 행동 기능에 인과적 영향을 줍니다. 성격은 여러 정신병에서 기질적 영향을 설명하는데 사용됩니다. 심리학자들은 일반적으로 "Big Five" (neuroticism, extraversion, openness, agreeableness, conscientiousness, Costa and McCrae, 1992)같은 모델로 성격을 요약할 수 있다 생각합니다. 성격 모델들은 보통 계층적으로 생각되어지는데, 저레벨 성격 요소들이 조합되어 고레벨 성격이 된다는 것입니다.

최근의 meta-analysis에서, Kotov et al.(2010)은 아래를 보였습니다.

• Negative emotionality(NEM): 혐오감을 경험하는 경향은 모든 정신병과 일관되게 양의 상관을 보였습니다.
• Conscientiousness(CON): 감정에 즉각적으로 행동하지 않고 충족을 미룰 수 있는 능력은 약물 중독 등의 외면화 행동(externalizing behavior)과 음의 상관을 보였습니다.
• Positive emotionality(PEM): 우울증이나 불안증세같은 internalizing behavior와 강한 음의 상관을 보였습니다.
• Agreeableness and openness: 정신병과 관계가 약하고 일관되지 않았습니다.

모든 성격 특성 중에 도박 중독과 가장 연관이 많았던 것은 neuroticism/NEM, constraint/conscientiousness(CON), impulsivity, sensation seeking이었습니다. 감정 기질(NEM, PEM, CON 등)은 사람간의 기질(agreeableness같은)에 비해 정신병을 가지는지에 대해 더 중요한 역할을 했습니다. 하지만 다른 연구에서, 사람간의 기질은 동일한 정신병을 가진 사람들 사이의 차이를 설명하는데 유용하게 나타났습니다.

Impulsivity는 보상의 충족을 지연하는 것에 어려움을 겪고 충동적 행동을 하는 것을 말합니다. 이 충동이 도박 중독에 리스크 팩터임이 연구에서 드러났습니다. 실험에서 frontal brain region이 보상과 벌의 의존을 유지하는데 중요한 역할을 하는 것으로 나타났고, orbitofrontal and ventromedial prefrontal cortex(OFC and vmPFC)가 손상된 환자들은 Iowa Gambling Task(IGT)에서 결과가 좋지 않았습니다. 또한 도박 중독자들은 frontal lobe lesion이 있는 환자들과 비슷한 의사 결정에서의 문제들을 보였습니다. OFC와 vmPFC의 손상은 바람직하지 못한 자극/반응 관계를 바로잡는 것에 실패하게 했습니다. 최근 실험에서는, 특히 vmPFC가 도박 중독자들에게 덜 활성화되는 것을 미루어 이러한 중독자들은 자극/반응 관계가 변화하는 것에 적응을 잘 못할 것을 시사합니다.

쾌락 추구(sensation seeking)는 잠재적으로 리스키하지만 새로운 경험을 좇는 것을 말하는데, 높은 PEM과 낮은 CON과 관련이 있다고 생각됩니다. 일반적으로 쾌락 추구는 도박 중독자들에게 더 높게 나타나는데, 이는 개인이 더 도박을 할 가능성은 높였지만 도박 중독에 빠질 리스크를 높이진 않았습니다. 즉 쾌락 추구하는 특성은 간접적인 리스크 팩터입니다.

한 가설은, 병리학적 도박 증세는 basal ganglia, striatum, cortex에서 지나치게 과활성화된(hyperactive) 도파민 전달 때문에 일어나는, 고빈도로 보상을 찾으려는 욕구에서 비롯된다는 것입니다. 과거 연구에서는 병리학적 도박 환자와 마약 중독자들이 striatal region의 활성화가 보상과 벌 두 이벤트 둘다에서 덜 보이는 것을 확인했습니다. 더 최근 연구에서는 보상의 힌트에 도파민 시그널이 지나치게 과민 반응하는 것을 보였습니다. fMRI 연구들도 이 가설을 뒷받침하는데, dlPFC의 과활성화가 도박 중독자들에게서 보여졌습니다.