https://www.cell.com/trends/cognitive-sciences/article/S1364-6613(19)30013-0/fulltext
Author : Torben Ott, Andreas Nieder
핵심 내용
- 도파민은 전전두피질의 성공적인 인지 통제(Cognitive Control)를 가능케 한다.
- 전전두피질의 도파민 수용체는 세 가지 면에서 인지 통제에 관여한다.
1) 게이팅 (Gating) 2) 유지 (Maintaing) 3) 중계 (Relaying)
- 두 가지 주요 도파민 수용체 (D1R, D2R)은 인지 통제에서 상보적인 역할을 하는 것으로 보인다.
- 도파민 수용체들은 인지 통제의 다른 면에 기여하는 피질 회로 요소들에서 다른 방식으로 통합된다.
Prefrontal Cortex, the Central Executive of the Brain
- 전전두엽의 전두극은 자극 선택, 작업 기억, 규칙 변경, 의사 결정 등에 있어서 결정적인 역할을 한다.
- 뇌의 집행 기능 센터로서 피질 위계의 정점의 역할을 하는 전전두엽은 고도의 추상적이고 종합된 감각 정보들을 받아 이전 경험과 현재의 요구에 비추어 정보를 처리하고, 운동 관련 출력 구조들에게 명령을 전달한다.
- 정리하자면, 실행 제어(Executive Control)는 행동과 관련된 자극을 걸러내는 게이팅 연쇄(Sequence of Gating), 작업 기억에서 연상적이고 맥락적인 정보들을 수집하고 유지(Maintaing)하는 기능, 그리고 그 정보를 전운동 영역으로 전달하여 행동 반응을 예비하는 역할을 한다.
1) 감각 입력 2) 기억과 조작 3) 행동 출력
Dopamine in the PFC
- 각 단계에서 전전두엽의 동작은 도파민의 역할에 크게 영향을 받는다.
- 중뇌 도파민 회로에서 생성된 도파민은 전두엽에 광범위하게 방출한다.
- 도파민은 전두엽의 작업 기억(Working Memory), 주의(Attention), 행동 유연성(Flexible Behavior)에 영향을 미친다.
- 도파민의 두 경로 중 복측피개부(Ventral Tegmental Area, VTA) 경로는 전대상회(Anterior Cingulate Cortex, ACC)와 내측 전두엽과 연결된다. 영장류의 경우 배측면 흑질(Subtantia Nigra) 경로는 전전두엽의 배측, 외측 전두엽과 연결된다.
- 도파민이 방출되면 D1~D5의 다섯 가지 도파민 수용체와 결합한다.
- 각 수용체는 시냅스 간 전류를 직접 유도하지 않고 세포간 신호 연쇄를 조절하여 신호를 전달한다.
- 구조적 분자적 유사성에 따라 D1R family (D1, D5), D2R family (D2~D4)로 나뉜다.
- D1R은 D2R보다 전두엽에 10배 더 많이 분포하고 있으며 영장류의 전두엽 모든 전두층에 존재한다.
- 이와 대조적으로 D2R은 layer V에서 가장 높은 발현을 보이고 대부분의 층에서 낮게 발현된다.
- 이 둘은 모두 피라미드 세포(Pyramidal Cells, 흥분성), 억제성 중간뉴런(Inhibitory Interneuron)에 모두 발현된다.
- 복측피개부와 복내측 흑질의 도파민 뉴런은 강화 학습을 가능케하는 Reward Prediction Error 신호를 출력한다.
- 다른 많은 도파민 뉴런은 자극의 현저성에 대한 신호를 출력한다.
- 보상인지 처벌인지와 상관없이 현저하고 새로운 자극은 신속하게 이 뉴런들을 활성화한다.
- 현재 작업 기억에 저장된 정보와 행동적으로 관련된 자극은 저장되어 있어야 하는데,
이 때 흑질의 배외측 도파민 뉴런들이 활성화되고, 복내측 흑질 뉴런들은 활성화되지 않는다.
- 흑질의 배외측 도파민 뉴런의 활성화는 전전두엽의 집행 기능을 중계한다.
- 이 과정에서 중요한 것은 시간 경과에 따른 부위별 도파민 뉴런의 반응도이다.
- (i) Gating, (ii) Maintaing/Manipulating, (iii) Relaying 의 각 뉴런 세부 회로에서 시간 경과에 따라 도파민의 영향이 어떻게 달라지는지에 초점을 맞춰 이 리뷰를 진행할 것이다.
(1) Dopamine Gates Sensory Signals in PFC
Gating 메커니즘은 먼저 D1R이 관여하여 억제 기전으로 뉴런의 SNR 비율을 증가시킨다.
D2R이 관여하는 gain computation은 감각 신호의 흥분성 메커니즘을 조절한다.
Gating에 관한 시간적 정밀도는 흥분성 입력에 의해 조정된다.
(2) Dopamine Influences the Maintenance and Manipulation of Information in Working Memory
인지 제어에서 D1R과 D2R의 상보적 기능에 대한 연구 증거들이 많다.
두 수용체는 각기 다른 메커니즘으로 작업 기억 유지와 규칙 관련 반응을 조정한다.
이 메커니즘들은 중간뉴런-피라미드 신호의 시냅스 전류 증가와 수반된다.
(1)에서 언급한 것처럼, 게이팅 과정에서 D2R의 gain computation과 감각 신호의 동적 업데이트 시스템은
작업 기억에서 일어나는 D2R 변화와 시간적으로 비슷한 과정으로 진행된다.
(3) Dopamine Controls Cortical Premotor Signals
D2R 운동 명령의 하향식 전달에 관여하는 신호를 조정한다.
도파민은 선조체(전전두엽 뉴런 layer V와 강하게 연결된)에 투영되어 행동 게이팅과 행동 연쇄를 조절한다.
도파민의 중피질 경로와 중선조 경로의 상호작용에 대해선 알려진 바가 없다.
