과학 Science

마우스 행동실험 이해 Understanding mouse behavioral experiments

제이우드 || 2023. 4. 8. 15:20
사람들이 동물을 이용해 행동 실험을 하는 데는 여러가지 이유가 있겠지만, 
 
무엇보다도 사람을 이용한 임상실험이 가져다 주는 부담 요소가 가장 크게 작용할 것입니다.
 
여기에는 실험과정에서 피실험자의 건강을 위협할 수 있는 위험성을 완벽하게 배제할 수 없는 이유와
 
실험에 적합한 조건을 갖춘 많은 피실험자와 그에 따른 재반 요건을 갖추는데 필요한 적잖은 노력과 비용의 문제가 있습니다.
 
 
하지만 뇌과학 영역에서 다루고 있는 주요 관심사는 우리의 고차원적인 의식 수준에 대한 의문이 많기 때문에
 
우리와 말이 통하지 않는 동물들의 행동을 관찰하여 그들의 의지와 감정을 유추해낸다는 것은 결코 쉽지 않은 일입니다.
 
사람을 이용한 행동실험을 할 때에는 오히려 피실험자의 주관이 실험과정에 개입되지 않도록 피실험자를 정교하게 속이는 트릭이 필요하긴 하지만,
 
동물의 행동을 통해 의지나 기억, 감정과 같은 고차원적인 의식 수준을 연구하기 위해 과학자들은 여러가지 직관적인 트릭들을 고안했습니다.
 
 
그중 마우스에 적용할 수 있는 몇 가지를 간단하게 소개해 드리겠습니다.
 
 

Open-field test

 
단어 그대로 탁 트인 공간에서 마우스의 움직임을 관찰하는 단순한 테스트입니다.
 
임의 크기의 뚜껑이 없는 직육면체 상자 안에 마우스를 넣고 움직임을 관찰하는 단순한 실험이지만, 이 실험으로 꽤 많은 것을 알 수 있습니다.
 
 
사람도 어디가 아프거나 기분이 안 좋으면 활발하게 움직이지 않지요? 마우스도 마찬가지 입니다.
 
이 실험을 통해 기본적으로 상태가 좋지 않은 마우스를 선별할 수 있습니다. 어딘가 불편한 마우스는 잘 움직이지 않고 웅크려 앉아 있게 됩니다.
 
이와 같이 마우스의 기본적인 운동성을 확인하는 것은 다른 행동실험을 위한 중요한 기본 실험이 됩니다.
 
상태가 좋지 않은 마우스를 이용해 행동실험을 하면 당연히 그 결과에 대한 신빙성이 떨어지는 까닭입니다.
 
따라서 다른 행동실험을 하더라도 기본적으로 open-field test 결과를 같이 보여주어 결과의 신빙성을 보장해 주는 자료로 활용됩니다.
 
 
이 외에도 향정신성 약품에 대한 반응도 알아 볼 수 있는데, 마약(drugs)이나 정신자극제(psychostimulants)에 노출된 마우스는
 
그렇지 않은 마우스에 비해 활동성이 현저하게 증가합니다. 기분이 좋아 상자 안을 활발하게 뛰어다니는 것이지요.
 
반대로 신경 안정제나 마취제를 맞은 마우스의 경우 그 움직임이 줄어드는 것을 확인할 수 있습니다.
 
 
좀 더 나아가 이 실험으로 마우스의 불안 정도도 간접적으로 파악할 수 있습니다.
 
이 상자는 마우스에게 낯선 공간입니다. 사람도 낯선 환경에 처해지면 방어적인 자세를 취하게 되지요? 
 
벽 가장자리를 따라 조심스럽게 움직이거나, 구석에 쭈그리고 앉아 주위를 경계합니다.
 
실험용 마우스는 특히 본능적으로 겁이 많습니다. 섣불리 넓은 상자 한 가운데로 나오지 않습니다.
 
마우스가 상자 한 가운데에서 얼마나 많은 시간을 보내는지 여부를 보아 불안정도를 파악하는 용도로도 사용합니다.
 
 

Rota-load

 
돌아가는 통나무 정도로 이해하시면 될 것 같습니다.
 
빙글빙글 돌아가는 통나무 위에서 떨어지지 않고 균형을 맞춰 움직이려면 온 몸의 근육을 이용해 민첩하게 움직여야 합니다.
 
마우스가 아슬아슬하게 올라 설 수 있는 굵기의 원통 위에 마우스를 올려놓고 
 
원통을 일정한 속도 혹은 점점 빨리 돌려 마우스가 원통위에서 얼마나 오래 떨어지지 않고 버티는지를 측정하는 실험입니다.
 
운동신경에 이상이 있는 마우스의 경우 정상 마우스에 비해 균형을 빨리 잃고 떨어지겠지요.
 
마우스의 운동조절 능력을 판단하는 기준으로 사용됩니다.
 
 
 

CPP (Conditioned place preference)

 
특정 자극이 주어진 장소에 대한 선호도 테스트라고 이해하시면 될 것 같습니다.
 
흔히 마약류와 같은 향정신성 물질에 대한 연구에 많이 사용되는 테스트입니다. 즉 마우스가 어떤 자극을 좋아하는지 싫어하는지 판단할 수 있습니다.
 
사람도 좋았던 기억이 있는 장소는 또 찾고 싶어지지만, 불량배라도 만난 골목은 일부러 피하는 것과 비슷하다고나 할까요.
 
 
색깔과 바닥 재질이 다른 두개의 상자가 작은 통로로 연결되어 있습니다. 
 
코카인과 같은 마약을 마우스에게 주입한 후 흰색 상자에만 가둡니다. 다음 날에는 이 마우스에게 그냥 생리 식염수를 주입한 후 검정 상자에만 가둡니다.
 
이 같은 행동을 몇 번 반복하게 되면 상자의 공간적인 신호(cue)와 마약이 주는 정신적인 자극이 하나의 기억으로 학습됩니다.
 
즉, '흰색 방에서는 왠지 모르게 기분이 좋더라'하는 것이지요.
 
이후 마우스를 두 상자 가운데 있는 작은 통로에 둔다면 마우스는 어느 상자쪽으로 움직일까요?
 
흰색 상자와 연관된 물질이 기분을 좋게 했다면(reward) 마우스는 흰색 상자를 좀 더 빈번히 기웃거릴 것이고,
 
흰색 상자와 연관된 물질이 기분을 나쁘게 했다면(aversive) 마우스는 흰색 상자 안으로 들어가길 꺼려할 것입니다.
 
이처럼 마우스의 이후 행동을 통해 우리는 특정 물질에 대한 선호도 여부를 판단할 수 있는 것입니다.
 
이 실험은 향정신성 약물의 '재발(relapse)'과 밀접한 관련이 있습니다. 
 
마약을 했던 장소나 술을 마셨을때의 조명과 비슷한 환경을 다시 접했을 때, 과거의 경험과 기억을 통해 얼마나 그런 약물의 효과를 다시 선호하게되는지 나타내주는 지표인 것입니다. 
 
 

Self-administration test

 
 
이 또한 특정 물질(substances, psychostimulants)에 대한 선호도 여부를 살펴보는 것입니다.
 
앞서 설명한 CPP와 비슷한 내용을 보여주는 것 같지만 사실 약간 다른 내용을 나타내 줍니다. 
 
이 실험은 약물에 대한 갈망(craving)을 테스트하는 것이라 생각하면 됩니다. 충동성(impulsivity) 정도를 보여준다고도 생각할 수 있습니다.
 
우선 마우스에 외과적 수술을 가해 혈관이나 뇌의 특정 부위에 약물을 투여할 수 있는 미세관을 연결합니다.
 
이 미세관은 펌프와 연결되어 있어 마우스가 특정 행동을 취하면 약물이 미세관을 통해 흘러들어가게 고안된 것입니다.
 
마우스가 작은 패달을 밟거나 좁은 구멍에 주둥이를 집어 넣는 식의 행동을 취하면 펌프가 작동해 약물이 마우스 체내로 주입되는 것이지요.
 
만약 이 약물의 효과가 마우스에게 일정한 쾌락을 선사한다면 마우스는 그 약물을 갈망하게되고,
 
그약물을 더 많이 얻기 위해 패달을 밟거나 주둥이를 집어 넣는 행동을 더 빈번히 행하게 될 것입니다.
 
이런 실험은 사람이 인위적으로 강제하지 않고 마우스의 자발적인 의지, 욕구가 반영되기 때문에 상당히 고급 실험에 해당합니다.
 
실제 중독성이 강한 코카인과 같은 마약으로 실험을 해보면 마우스는 끊임 없이 패달을 밟아댑니다. 
 
그만큼 중독성이 강하다는 뜻이지요.
 
 

EPM (Elevated plus maze)

 
문자대로 해석하면 '위로 올려진 십자(十) 형태의 미로'입니다.
 
마우스의 불안(anxiety) 정도를 파악할 수 있게 고안된 재미있는 실험이지요.
 
사람도 그렇지만 높은 곳에 올라가면 무섭고 불안하죠. 높다란 낭떠러지 끝에 서 있다라고 생각하면 굉장히 불안할 겁니다.
 
더군다나 난간도 없는 낭떠러지라면 근처에 가기도 싫을 것입니다.
 
하지만 높은 담으로 낭떠러지 끝이 막혀있다면 별로 무섭지 않겠지요.
 
 
이 십자 형태의 미로 4개의 통로 중 2개는 높은 벽으로 막혀 있고, 나머지 2개는 벽이 없이 바닥만 있는 낭떠러지입니다.
 
마우스를 이 십자 미로 가운데에 놓으면 밖을 내려다보고 겁을 먹고는 벽으로 막힌 안전한 2개의 통로 안으로 움직입니다.
 
얼마나 용감하게 벽도 없이 뻥뚫린 높은 낭떠러지 위를 자주, 오래 걸어다니냐 여부를 관찰해 불안 정도를 측정하게 됩니다.
 
막약 이러한 불안감을 관장하는 신경회로에 이상이 있는 경우 마우스는 벽이 없는 통로라도 겂도 없이 걸어나가게 되겠지요.
 
흔한 예로 사람들이 술에 취하면 약간 용감해지는 것 처럼,
 
 마우스에게 알콜(alcohol)을 주입하면 불안감이 감소되어 벽이 없는 통로를 좀 더 빈번하게 활보하게 됩니다.
 
 

FST (Forced swim test)

 
이 실험은 마우스가 굉장히 스트레스를 많이 받는 실험 중 하나입니다.
 
좁고 목이 긴 실린더에 담긴 물 속에 마우스를 빠뜨려 강제로 헤엄치게 만드는 실험입니다. 
 
우울함(depression), 즉 낙담하는 정도를 파악하는 실험이지요.
 
 
물에 빠졌으니 살기위해선 끊임없이 발을 움직여 발버둥쳐야 합니다.
 
하지만 발은 바닥에 닿지 않고 주변에 올라설 곳도 없는 깊은 우물에 빠졌다고 생각하면 마우스의 상황이 이해가 될겁니다.
 
몇 번을 허우적대다가 더 이상 살아나갈 방도가 없다고 판단한 마우스는 실의에 빠져 발버둥도 치지 않고 그저 물에 둥둥 떠있게 됩니다. 
 
얼마나 빨리, 그리고 얼마나 오래 이와 같은 낙담한 상태를 보이는지 여부를 관찰하여 우울함(depression)의 정도를 판단하는 것입니다.
 
우울증에 걸린 사람이 삶에 대한 의욕도 없고 매사에 비관적인 것처럼,
 
더 우울한 상태에 놓여 있을 수록 물에 빠진 마우스는 더 빨리 그리고 더 오래 체념하게 됩니다.
 
마우스에게 상당히 스트레스를 주는 실험이기때문에 다른 행동실험과 같이 병행할 시에는 맨 마지막에 수행하는 것이 안전합니다.
 
 

Water maze (Morris water maze)

 
학습과 기억, 특히나 공간 학습 기억(spatial learning and memory) 연구를 하는데 널리 쓰이는 유명한 테스트입니다.
 
1981년 Richard G. Morris라는 신경과학자가 고안해낸 방법이지요.
 
 
마우스가 헤엄쳐 다닐만한 넓은 수조가 있습니다.
 
수조에 담긴 물은 뿌옇게 흐려져 속이 들여다 보이지 않으며, 대신 방향성을 가늠할만한 시각 신호(visual cue)가 주어집니다.
 
그리고 수조 어느 한 군데에 마우스가 올라설 수 있는 플랫폼이 있어 마우스가 물에서 나와 쉴 수 있는 공간이 제공됩니다.
 
마우스 한 마리를 이 수조에 담그면 마우스는 역시나 헤엄을 치면서 빠져나오려 하겠지요.
 
수조 여기 저기를 헤엄치던 마우스는 여기저기를 헤매다 극적으로 플랫폼에 다다르게 됩니다.
 
이러한 과정을 몇 번 반복하면 정상적인 마우스는 다시 물에 빠지더라도 수조 안에 있는 플랫폼의 공간적 위치를 
 
주변의 시각 신호(visual cue)와 연계 시켜 플랫폼을 쉽게 찾아 내게 됩니다.
 
'아 저번에 저기 매달려 있는 둥근 공 모양의 물체 밑에 가니까 플랫폼이 있었지!'라는 식으로 말입니다.
 
혹시 학습의 과정이나 기억 형성 과정에 문제가 있는 마우스라면 수조에 빠질 때마다 매번 플랫폼을 찾지 못해 한참을 헤매겠지요.
 
 

Radial Arm Maze

 
 
Water maze가 오랫동안 널리 사용되어 온 건 사실입니다만 실험자의 입장에서는 여간 번거로운 실험이 아닙니다.
 
아무래도 물을 사용하는 실험이다보니 배수 공간도 필요하고 다른 마우스를 실험에 투입할때마다 매번 수조의 물을 깨끗이 갈아야하는 수고를 해야만 합니다.
 
마우스 입장에서 물에 빠지는 것은 상당한 스트레스이기때문에 Water maze를 수행한 마우스는 다른 행동실험에 적용하기도 어렵습니다.
 
이런 단점 때문에 요즘은 점점 water maze보다는 radial arm maze와 같은 행태를 이용해 공간 학습 기억(spatial learning and memory)을 연구하는 추세입니다.
 
여러가지 변형이 있을 수 있는데 기본적으로는 여러가지 시각 신호나 조명의 강도, 보상 먹이 등을 이용해 working memory를 테스트할 수 있습니다. 
 
 

T maze

 
'T'자 형태의 미로입니다. 이것 역시 기억(memory)에 관한 연구 목적으로 많이 쓰이는 테스트로 상당히 다양한 형태로 응용이 가능합니다.
 
그중 작업 기억(working memory)을 간단하게 테스트하는 방법을 알려드리겠습니다.
 
작업 기억(working memory)이라는 것은 장기 기억(long term memory)이 아니라 단기 기억(short term memory)의 일종입니다.
 
어떤 작업을 수행하는데 필요한 기억이지요. 
 
좀 극단적으로 예를 들자면 마치 이런 것과 같습니다.
 
요리를 합니다. 소금, 설탕, 후추, 간장을 넣어야 합니다. 
 
그런데 한창 요리하던 중에 '어? 내가 방금 설탕을 넣었나? 아까 소금은 넣었던가?' 헷갈릴때가 있죠.
 
요럴때 필요한 것이 '작업 기억'입니다. 
 
 
아무튼 T maze를 이용해서 마우스의 작업 기억을 간단하게 테스트할 수 있습니다.
 
T자 양쪽 끝에 먹이를 두고 가운데 통로 끝에 마우스를 둡니다. 마우스는 통로를 따라 이동하다가 좌우로 나눠진 갈림길을 마주하게 됩니다.
 
왼쪽이나 오른쪽을 선택할 확률은 50:50이겠지요. 일단 왼쪽을 선택했다고 가정합시다.
 
왼쪽 통로 끝에서 먹이를 발견한 마우스는 맛있게 먹이를 먹겠지요. 마우스가 먹이를 다 먹으면 다시 출발했던 곳으로 돌려놓습니다.
 
다시 처음으로 돌아온 마우스는 다시 통로를 따라 가다 좌우로 나눠진 갈림길에 또 다다릅니다.
 
이제 마우스는 어떻게 할까요? 
 
흥미롭게도 마우스는 진화적으로 새로운 곳을 탐색하려는 습성을 발달시켜왔습니다.
 
전에 갔던 곳에서는 이미 먹이를 다 찾아 먹었기때문에 새로운 곳을 탐색해야 새로운 먹이를 찾을 확률이 많아서일 것이라고 과학자들은 생각하고 있습니다.
 
이런 습성을 적용해보면, 우리의 실험 마우스는 처음 먹이를 먹은 왼쪽 통로를 기억해 이번에는 오른쪽 통로를 향해 갈 것입니다.
 
만약 방금전 먹이를 먹은 곳을 기억하지 못한다면 이 마우스는 다시 왼쪽 통로로 갈 확률이 높아지겠지요. 
 
실제 마우스는 생각보다 똑똑해서 거의 70-80% 이상 방금 전 먹이를 먹은 쪽 반대 방향을 선택합니다.
 
 

Fear conditioning

 
 
이 실험 또한 마우스 입장에서 상당히 괴로운 실험입니다.
 
기억 중에서 공포, 두려움에 관한 신경회로를 연구하는 목적으로 많이 쓰입니다. 
 
우리 뇌의 아주 작은 '편도체(amygdala)'라는 곳이 이런 공포 기억 형성에 관여한다고 알려져 있지요.
 
이 실험은 우리에게 익숙한 '파블로프 반사(Pavlovian response)' 실험과 비슷합니다.
 
개에게 먹이를 줄 때 종을 울리면, 나중에 종만 울려도 개가 침을 흘리는 조건 반사의 대표적인 예이지요.
 
이 실험은 마우스에게 강한 충격을 가해 공포 기억을 각인시킵니다.
 
마우스를 상자에 가둔 다음 특정 소리를 들려주고 이내 바닥에서 강한 전기자극을 줍니다.
 
전기자극이 마우스에게 굉장히 고통스러울 정도기 때문에 마우스는 전기자극을 받은 상자(context)와 전기자극을 받기 전에 들려온 소리(sound cue)에 대한 두려움을 갖게 됩니다.
 
그렇기 때문에 나중에 전기자극을 받은 상자(context)에만 들어가도 마우스는 겁에 질려 가만히 웅크리게 되고,
 
혹은 다른 상자에 있다가도 전기자극 전에 들었던 소리(sound cue)만 들어도 겁에 질려버리는 것을 확인할 수 있습니다.
 
이러한 공포 기억은 굉장히 강력해서 한 번 전기자극을 받은 마우스를 몇 달 후에 다시 상자에 넣어 놓아도 바로 예전의 기억을 떠올려 반응할 수 있습니다. 
 
공포라는 것은 그만큼 행동에 지대한 영향을 미치는 '트라우마'로 작용하는 것이지요.
 
 

맺음말

 
이상의 실험들은 마우스 행동 실험에 대표적으로 쓰이는 패러다임들이었습니다.
 
이외에도 더 많은 행동 실험 패러다임들이 있지만 가장 많이 사용되는 것들을 소개해 드렸습니다.
 
유념할 사실은, 이러한 개개의 행동 실험에 대응하는 대표적인 의식 종류가 존재하지만
 
한가지 행동 실험만으로 그 의식에 대한 변화를 일반화해서는 안된다는 것입니다.
 
Water maze에서 좋지 않은 기억력을 보였다고 T maze에서도 결과가 나쁘게 나오라는 법은 없습니다.

 

 
하나의 행동이 표출되기 위해서는 뇌 속에서 여러 종류의 신경회로들이 정교하게 조절되어야 하기때문에 변수가 너무도 많습니다.

 

그리고 단순해 보이는 우리의 의식 생성 과정을 세부적으로 잘 대변할 수 있는 행동 양식을 정한다는 것도 상당히 어려운 일입니다.
 
그 누구도 조그만 마우스의 뇌 안에서 무슨 일이 일어나기에 마우스가 그런 행동을 보이는지 확실하게 장담할 수 없습니다.
 
 

 

우리는 다면 여러가지 행동 실험을 통해 나타난 결과를 취합하여 가장 그럴듯한 결론을 내릴 뿐입니다.