뇌의 몇 개 영역들이 선조체(striatum) 내부에서 통신하는 새로운 경로가 카네기멜론대학교(Carnegie Mellon University) 연구자들에 의해 확인되었다. 학술지 Journal of Neuroscience에 실린 이번 발견에서 뇌가 증강학습을 이용하여 배측면전두엽(dorsolateral prefrontal, DLPFC), 안와전두 피질(orbitofrontal cortex, OFC) 및 후두정부 피질(posterior parietal cortex, PPC)과 같이 공간적 결정을 내릴 수 있게 하는 구조적 기능적 연결이 확인되었다. 이들 영역 간의 커뮤니케이션은 야구 선수가 스윙할 곳을 계산하거나 비슷한 자동차로 기득한 커다란 주차장에서 차를 찾는 방법과 같은 능력에 중요하다.
이들 특이적 경로가 작동하는 방법에 대한 이해는 학습이 일어나는 방법에 대한 핵심 통찰력을 제공한다. 또한 이는 파킨슨질환의 치료법 개선으로도 이어질 수 있다.
이들 시스템이 함께 소통하는 방법에 대한 정확한 이해를 통해, 건강한 뇌에서 이들 시스템이 작동하는 방법을 더 잘 이해할 수 있을 뿐만 아니라, 파킨슨질환에 있어 서로 다른 유형의 시스템이 연속되거나 또는 모터 기능장애와 같은 한 가지 증상에서 시작하여 기억이나 의사결정 장애와 같은 또 다른 기능으로 이동하는 방법의 이해가 시작될 수도 있다는 것이 벌시넨(Timothy Verstynen) 교수의 설명이다. 이 연계성(connectivity)이 행동과 관련되는 방법에 대한 이해의 진전이 약화되거나 손상될 가능성이 있는 경로들의 강화에 초점이 맞추어진 치료적 개입 개발에 도움이 되기를 기대한다고 한다.
이 연구팀은 확산스펙트럼 영상 및 섬유기술(diffusion spectrum imaging and fiber technology)로 60명의 건강한 성인의 뇌 영상을 분석하였다. 이 고급 영상화 기술로 DLPFC, OFC 및 PPC의 백질(white matter) 경로들의 시각화가 이루어진 것이다. 이 세 영역 모두에서 시작된 경로들이 선조체라고 전뇌(forebrain) 영역 내부의 유사 영역들로 투영되는 것이 확인되었는데, 선조체는 파킨슨질환과 가장 보편적으로 연관되는 기저 핵 경로(basal ganglia pathways)의 일부이다.
이 구조적 연계성 분석이 이루어진 다음, 휴식상태의 fMRI 영상(resting state fMRI images)을 이용한 기능적 연계성 분석이 이루어졌다. 이 분석 결과에서 이 수렴대(convergence zones )들이 구조적 뿐만 아니라 기능적으로도 연계되어 있다는 것이 확인되었다. 더욱 중요한 것은 이 세 피질 영역들 모두에서 뇌 표면 영역들이 구조적 기능적 연계성이 고도로 중첩을 보인다는 것이다. 이번 발견이 시사하는 우리가 집중하고 있는 시공간적 환경에 관한 정보를 과거의 행동적 선택과 관련된 보상과 처벌로 통합시켜, 향후의 행동 결정을 갱신하고 개선하는 방법을 학습할 수 있는 구조적 기능적 네트워크가 뇌에 존재할 수 있다 것이라고 한다.
이번 연구결과의 추가적 의미는 증강학습(reinforcement learning)이 일어나는 방법에 대한 보다 심도 있는 이해라고 한다. 증강학습 프로세스에 대한 다수의 모델은 안와전두 피질 유래 보상 시그널이 다른 영역에서 유래된 정보와 합쳐진다는 것을 가정한다. 이 가정은 전뇌 피질의 다른 영역들에서 확인되어 왔다. 정수리 피질의 공간적 주의(spatial attention) 정보 또한 이 프로세스에 기여할 수 있다는 것이 확인된 것은 이번 연구가 최초라고 한다.
