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학습 활동에 따른 심리 현상에 대하여 연구하는 학문을 학습 심리학이라 하며 조건 반사에 의한 자극과 반응과의 연력을 중요시하는 자극반응이론과 의미나 통찰을 통한 이해를 강조하는 인지 이론 두 가지로 나뉜다. 이런 학습에 대한 정의는 동물 행동학과 관련이 깊으면 특히 생리 심리학, 진화 심리학과의 관계도 깊다고 볼 수 있다. 1900년대 초, 파블로프가 연합학습을 발견하면서 여기에 대한 뇌 기제에 호기심을 가지게 되었으나 당시에는 뇌를 살펴볼 수 있는 과학기술이 충분치 않아 직접 손상하는 식의 연구를 통해 실험해 오다가 최근 기술 발달로 소뇌가 고전적 조건화의 학습에 큰 영향을 미친다는 것이 밝혀지면서 연구가 더 활발해졌다. 소뇌의 역할은 1980년대 초 리처드 톰슨과 동료들에 의해 발견되어 증명될 시 시작하였는데 고전적 조건화에서 보는 핵심적인 소뇌의 작용 원리 중 cs 경로는 교 핵이라 불리는 뇌간의 영역 중 하나로 처음 투사되어 감각 자극을 담당하는 하위영역으로 각각 구성되어 있다. 소리 cs는 교 핵의 한 영역으로 투사되며 빛 cs는 다른 영역으로 투사되는데 이러한 cs 정보가 태상 섬유를 따라 소뇌 심부 핵으로 올라가게 되고 이때 두 방향으로 나누어진다. 한 가지는 소뇌 심부 핵에 있는 중간 핵으로 들어가게 되는 것이며 다른 가지는 과립세포와 그 외 세포를 통해서 소뇌피질로 투사하여 평행섬유를 타고 퍼킨지세포의 가지돌기와 만나게 되는 것이다.us 경로는 눈에 가해진 공기분사가 하 올리브의 뉴런을 활성화하게 되고 이는 중간 핵을 활성화하게 되어 동상 섬유를 통해 소뇌피질로 투사하게 되는 것이다. 하나하나의 등산 섬유는 퍼 킨제이 세포로 올라가 세포를 감싸고 있는데 퍼킨지세포에 매우 강력한 흥분성 활동을 일으키게 되며 cs 경로와 퍼 킨제이 세포, 중간 핵에서 수렴되어 눈 깜빡임 cr의 단일 출력으로 되는 것이다. 중간 핵에서 하 올리브로 투사되는 억제성 피드백 회로는 훈련이 잘된 동물이 중간 핵의 활동으로 cr를 생성하게 되고 소뇌피질로 us 정보를 내보내는 하 올리브를 억제하게 되는데 이것이 하 올리브 활동이 실제 us에서 기대되는 이것을 억제함으로써 뺀 값을 반영하게 되는 것이다.리처드 톰슨과 동료들은 1980년대 초 소뇌 일부분이 손상된 토끼는 영구적으로 고전적 조건화된 눈 깜빡임 반응을 다시 습득하지 못하며 이전 학습의 반응을 파악하지 못한다는 것을 발견하게 되었는데 이런 연구를 통해 소뇌가 학습된 운동 반응을 포함한 운동 통제에 중요한 역할을 하고 있다는 것을 알게 된 것이다. 소뇌는 조건화를 형성하는 데 중요한 역할을 하게 되는데 이것이 손상되었을 경우 소뇌의 중간 핵은 cs와 us의 유일한 표출 경로이므로 영구적으로 조건 학습을 하지 못하게 된다는 결과가 나타나는 것이다. 반대로 퍼 킨제이 세포를 포함한 소뇌 피질이 손상되면 학습하는 속도가 느린 결과가 나타나는데 소뇌 손상이 보여주는 가장 명백한 현상은 정확한 조준과 타이밍이다. 특히나 조건화에서는 타이밍을 중요하게 보는데 조건 학습을 하게 될 때 소뇌의 손상이 일어나게 된다면 타이밍을 맞추지 못해 리처드의 연구처럼 학습에 반응하지 못하는 결과가 발생하게 되는 것이다. 군소는 비교적 얕은 바다에서 섭생하는 외골격인 겉껍질이 없는 달팽이인데 이 군소를 사용하여 실험하게 되면 신경회로망을 구성하는 거대 뉴런을 쉽게 찾아내어 거대 뉴런의 생물학적, 분자적 특성의 연구가 가능하기 때문이다. 뉴런의 기능을 연구하는데 잘 살릴 수 있으며 이는 전기 생리학적 실험 데이터를 훨씬 간편하게 얻을 수 있게 되는 것이며 뉴런으로의 유전자도입만 아니라 단백질 미세주사, 단일 세포 등이 가능해지는 것을 나타낸다. 연체동물의 수축 반사 행동도 군소의 아가미에서 연구될 수 있었는데 군소의 등 쪽에는 아가미를 덮고 있는 막과 막에 연결되어 있는 호흡관을 볼 수 있으며 군소의 호흡관 피부를 자극하게 되면 감각 뉴런이 결박하고 이는 글루타메이트를 시냅스로 방출하게 된다. 글루타메이트 분자들이 운동 뉴런 수용기를 활성화하게 되고 많은 수용기가 충분히 활성화되면 운동 뉴런은 활동 전위를 발생시켜 아가미의 근육 수축이 발생하게 되는 것이다. 이것이 아가미 수축 반사이며 이를 통해 습관화, 민감화, 고전적 조건화를 살펴볼 수 있게 되었다. 습관화는 군소의 흡수관을 반복적으로 약하게 건드릴 때 나타나는 것으로 처음 자극은 아가미 철회반응을 일으키지만 일어나는 반응은 크기가 작아지는 현상을 나타낸다. 흡수관의 자극을 맡는 감각 뉴런의 축삭에서 글루타메이트의 증가에 의해 소낭 수를 증가시키게 되며 이것이 소낭으로부터 신경전달물질을 방출하도록 하는 것이다. 신경 전달 물질의 증가에 의해 작은 자극에도 아가미 수축 반응에 육박할 수 있는 것이며 고전적 조건화는 흡수관 터치가 꼬리에 충격을 가하는 것처럼 반복적으로 연결될 때 증가한 흡수관 철회반응은 흡수관 터치에 대한 반응으로 이어지게 되는 것이다. 훈련에 뒤따르는 흡수관 터치에 대한 증가한 철회반응은 꼬리 충격을 단독으로 줄 때 발생하는 일반적인 민감도 보다 크며 고전적 조건화된 흡수관 철회반응은 특정적이므로 다른 자극들에 일반화되지는 않는다.