보상 클수록 학습 속도 빨랐다…일주일 걸리던 걸 하루 만에

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과학자들은 오랫동안 학습 속도가 보상의 크기보다 경험에 더 좌우된다고 여겨왔다. 예를 들어 게임 실력이 느는 것은 상금 규모보다 반복적으로 시도하고 성공 경험을 쌓았기 때문이라고 봤다.

하지만 최신 연구 결과는 이러한 통념을 뒤집는다. 경험보다 보상의 크기가 훨씬 더 중요할 가능성이 있다는 것이다.

미국 하워드휴즈의학연구소(HHMI) 자넬리아 연구 캠퍼스의 조슈아 더드먼 연구실 연구자들은 보상이 클수록 학습 속도가 더 빨라질 수 있다는 사실을 발견했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 지난 21일(현지 시각) 게재됐다.

연구진은 이번 결과가 학습은 경험에 의해 천천히 이뤄진다는 기존 가정과, 도파민이 학습 과정에서 하는 역할에 대한 기존 관점에도 의문을 제기한다고 설명했다.

거의 모든 신경과학자들은 ‘동물은 수백 번 반복 훈련과 작은 보상을 통해 서서히 학습한다’고 가정해 왔다.

이에 더드먼 연구실 연구진은 보상의 크기가 학습 속도에 영향을 미치는지 직접 확인하기로 했다. 결과는 놀라웠다.

목이 마른 생쥐에게 과제를 성공했을 때 적은 양의 물을 여러 번 주는 대신 많은 양의 물을 몇 차례 보상으로 제공하자 학습 속도가 훨씬 빨라진 것이다.

연구진은 이를 “사람에게 군만두 하나를 주는 것과 자장면 한 그릇을 주는 정도의 차이”라고 비유했다.

기존 방식에서는 수천 번의 작은 보상을 통해 며칠 동안 훈련해야 했지만, 훨씬 더 큰 보상을 받은 생쥐들은 10번도 안 되는 보상만으로 하루 만에 과제를 학습했다.

개체 간 학습 속도 차이도 크게 줄었다.

작은 보상을 줄 경우 어떤 생쥐는 일주일 만에 과제를 익히고, 어떤 개체는 한 달 가까이 걸리기도 한다. 하지만 큰 보상을 받을 경우 대부분의 생쥐가 며칠 안에 비슷한 수준으로 학습했다. 이런 효과는 길 찾기, 운동 기술, 의사결정 등 여러 복잡한 과제에서 일관되게 나타났다.

연구를 주도한 루크 코딩턴(Luke Coddington) 연구원은 “원래는 몇 주 동안 훈련시켜야 겨우 과제를 이해하기 시작한다고 생각했는데, 이번에는 하루 만에 생쥐들이 과제를 완벽히 수행하는 모습을 봤다”고 말했다.

연구진은 큰 보상이 학습 속도를 높이는 세 가지 요소를 강화한다는 사실을 확인했다.

첫째, 한 번의 경험에서 배우는 양이 늘어났다.
둘째, 하루 동안 배운 내용을 다음 날까지 더 잘 유지했다.
셋째, 학습 과정 전체에 더 적극적으로 몰입했다.

이 과정의 핵심에는 도파민이 있었다. 도파민은 학습과 동기 부여를 조절하는 뇌 속 신경전달물질이다.

연구진은 보상이 클수록 도파민 반응도 더 커졌고, 특히 도파민 신호가 더 오래 지속됐다는 사실을 발견했다.

도파민의 효과를 확인하기 위해 작은 보상을 받은 생쥐에게 인위적으로 도파민 지속 시간을 늘리자 학습 속도도 빨라졌다. 도파민 신호가 오래 지속되면 동물들이 매번 더 많은 것을 배우고 과제에 더 몰입하게 된다는 것이다. 다시 말해 큰 보상은 개체 간 학습 효율 차이를 상당 부분 줄이는 효과를 보였다.

연구진은 과제 몰입도가 개체 간 학습 속도 차이를 설명하는 가장 중요한 요인 중 하나였다고 설명했다.

코딩턴 연구원은 이를 ‘교실 속 모든 아이들이 수업에 적극적으로 몰입하는 상태’에 비유했다.

연구진은 이번 결과가 신경과학 연구 방법 자체를 바꿀 수 있다고 설명했다. 큰 보상을 사용하면 훈련 시간과 개체 간 차이가 줄어들어 학습 과정을 더 쉽게 분석할 수 있기 때문이다.

또 이번 연구는 생쥐가 생각보다 훨씬 복잡한 과제도 학습할 수 있음을 시사한다고 연구진은 설명했다. 이는 앞으로 학습과 인지 기능 연구에서 지금까지 접근하기 어려웠던 새로운 질문들을 탐구할 수 있게 할 가능성이 있다는 것이다.

다만 이번 연구는 생쥐 대상 실험으로, 사람의 학습 과정에서도 동일한 효과가 나타나는지는 추가 연구가 필요하다.

관련 논문 주소: https://doi.org/10.1126/science.aeb0813