인간 뇌세포로 구동되는 바이오 컴퓨터가 현실화되는가. 과학자들이 인간 뇌세포를 배양해 컴퓨터의 하드웨어로 활용하는 바이오 컴퓨터 개발 구상을 내놨다. 살아있는 사람의 뇌를 직접 컴퓨터에 연결하는 것이 아니고 사람의 세포에서 유래한 배양 오가노이드를 사용한다.
육신과 분리된 신경세포가 작동하게 하는 실험은 이미 성공했고, 신경세포를 충분한 갯수의 오가노이드로 만드는 실험이 진행중이다. 이 분야는 인간 뇌에 가까운 컴퓨팅 성능확보와 뇌 신경질환 예방과 치료 등 의학분야 발전에도 기여할 수 있다. 미국 존스홉킨스대학교의 토머스 하퉁 교수(Thomas Hartung)가 바이오 컴퓨팅에서 국제공동연구팀을 주도하고 있다.
수십년 내로 바이오 컴퓨팅 시대를 열기위해 전세계에서 모인 최고의 과학자들이 빠르고 강력하며 효율적인 기술개발을 하고 있다.
인공지능보다 나은 오가노이드 인텔리전스 OI
오가노이드는 오간(organ, 장기) + 오이드(oid, 유사함을 뜻하는 접미사)의 합성어이다. 뇌 오가노이드는 피부 줄기세포를 실험실에서 3차원으로 배양한 후에 재조합해 만든 인공 뇌세포이다.
연구진은 뇌 오가노이드를 우선 2차원 구조로 배양한는데 성공했다. 그리고 3차원 구조로 배양해서 뇌세포 밀도를 1000배 높이고 있다. 이렇게 하면 신경계의 단위인 뉴런을 더 많이 연결시킬 수 있다.
연구팀은 2012년부터 인간의 피부세포를 배아줄기 세포와 유사한 상태로 재설계해 뇌세포로 성장시키고 기능성 오가노이드로 만드는 실험을 해왔다.
이를 통해 연구님은 약 5만개의 신경세포가 들어간 오가노이드를 만들어냈다. 이는 초파리 신경계에 있는 신경세포 수와 비슷하다. 이 오가노이드가 바로 바이오 컴퓨터를 만드는 재료이다.
이 공동연구팀은 사람의 뇌세포를 3차원으로 배양한 뇌 오가노이드를 활용하는 혁신적인 바이오 컴퓨터 개발계획을 2023년 2월 28일 공개했다. 이들의 새로운 연구분야는 오기노이드 인텔리전스(OI, Organoid Intelligence)라고 부른다.
위 뇌 오가노이드 이미지에서 분홍색은 뉴런이고 파랑색은 세포핵이며, 빨간색은 희소돌기아교세포, 녹색은 성상교세포이다. 인공지능이 아무리 발전해도 인간 뇌보다는 효율성이 떨어진다는 판단에서 바이오 컴퓨팅을 개발하고 있다.
연구팀은 정보의 저장용량도 뇌가 컴퓨터보다 더 높다고 본다. 그러나 OI는 아직 초기 단계이다. 접시에서 배양한 ‘미니 뇌’가 미니 게임인 컴퓨터 아케이드게임 ‘퐁Pong’에서 인공지능AI 보다 뛰어난 학습능력을 발휘했다.
이를 분석해서 공동 연구자이면서 호주 바이오테크 기업 코티컬랩스(Cortical Labs)의 최고과학책임자인 브렛 케이컨은 2022년 10월 국제학술지 뉴런(Neuron)에 OI의 가능성을 제시한 연구결과를 발표했다.
연구팀은 ‘생물학적 하드웨어’로 작동하는 바이오 컴퓨터가 엄청난 전력이 필요한 슈퍼컴퓨터의 에너지 수요를 줄일 수 있다고 본다. 세계 TOP500 슈퍼컴퓨터 순위에서 2022년 11월까지 부동의 1위는 미국 수퍼컴퓨터 프런티어(Frontier)이다.
프런티어는 2022년 6월 처음으로 인간 두뇌의 연산능력을 넘어섰다. 그러나 연산을 위해 인간 두뇌보다 100만배 더 많은 전기를 사용한다. 프런티어 구축에는 6억달러(7933억원)이 투입되었다.
정보저장 용량면에서도 앞서는 뇌-컴퓨터
정보저장 용량면에서도 뇌가 컴퓨터보다 앞선다. 컴퓨터의 작은 칩에 트랜지스터를 넣는데는 물리적 한계가 있어서 지구상의 일반컴과 슈퍼컴퓨터는 곧 한계에 부딛힌다. 그래서 양자컴퓨터가 개발되고 있다. 그리고 바이오컴퓨터도 대안이다.
뇌에는 1015개 이상 지점을 통해 연결되는 약 100억개의 뉴런이 있다. 뇌의 저장용량은 무려 2500TB(테라바이트, 1TB는 1024GB)로 추정된다.
연구팀은 뇌 오가노이드를 바이오 컴퓨터로 발전시키기 위해 우선 규모를 키워야 한다. OI가 되려면 현재 초파리 신경계 수준인 5만개의 뇌 신경세포를 1000만개로 늘린 뇌 오가노이드가 필요하다.
뇌 오가노이드와 기존 컴퓨터가 신호를 주고받을 수 있는 개술도 개량중이다. 연구팀은 이미 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치를 2022년 8월 개발했다. 이는 작은 전극으로 촘촘히 덮힌 유연한 껍질형태이고 뇌 오가노이드의 신호를 포착하고 오가노이드에 신호를 전송할수 있다.
동물실험없이 자폐증 뇌질환 등 의학발전에도 적용가능
바이오 컴퓨팅은 컴퓨팅뿐만 아니라 뇌 의학분야 발전에도 적용할 수 있다. 신경발달 장애, 퇴화관련 약물개발에 도움이 될 걸로 전망된다. 이로써 인지문제가 왜 발생하는지 근본적인 메카니즘을 분석할 수 있다.
https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1017235
연구에 참여 중인 레나 스미르노바 교수(Lena Smirnova는 OI는 동물실험에 의존하지 않고도 자폐증 등 뇌질환 관련 신경망의 변화를 이해할 수 있는 도구라고 말했다.
바이오 컴퓨팅, 의식이란 무엇인가
육체와 연결되지 않은 뇌세포가 작동을 해서 미니게임 경기를 이겼다. 2022년 10월 12일 오주 코티컬 랩스는 몸에서 떨어져 나온 뇌 신경세포가 매우 간단한 미니 게임을 하고 이기는 실험과정을 공개했다.
코티컬 랩스는 뇌에서 떼어난 살아있는 신경세포를 조작해 그 활동을 인위적으로 변화시켜서 일종의 지성이 생길 수 있는지 궁금했다. 그래서 전극에 연결된 사람의 신경세포와 쥐 신경세포를 고전게임 퐁과 연결했다.
그랬더니 육신이 없이도 5분만에 게임을 진행시킬 수 있었다. 신경세포를 올려놓은 전극 시스템을 게임 퐁에 연결하자 신경세포에 공의 위치정보가 전기 신호로 전달됐다. 신경세포는 자발적으로 활동을 조절해 공을 받아냈다.
케이건 박사는 배양된 신경세포가 이전 연구에서 이미 행동결과에 관련된 감각정보에 반응해 목적달성을 위해 활동하는 것을 보았다. 그러나 이렇게 5분만에 퐁 게임을 할 정도는 아니었는데 이번에 진일보해서 놀랐다.
원숭이도 퐁 게임을 배우면 할 수 있다. 지능높은 동물은 상대편을 인지하면서 공을 넘길 줄 안다. 연구팀은 육체가 없는 신경 세포로도 실현가능하게 했다. 추상적인 미끼로 공을 받아치도록 한 것이다.
케이건 박사는 신경세포가 게임을 하는 방법을 터득한 것이 아니라 불확실성을 억제하는 방법을 학습한 것이라 판단했다. 전극으로부터 예측할 수 없는 자극을 받은 신경세포가 상황을 더 예측하기 쉽도록 활동을 스스로 재편성한 것이라고 분석했다.
이러한 실험성공은 존스홉킨스대가 주도하는 오가노이드 인텔리전스 바이오컴퓨팅 실험에 영감을 주고 기반이 되었다. 이렇게 바이오 컴퓨팅 개발 과정과 결과는 의식이 뭔지와 의식이 어떻게 생성되는지 그 성질을 밝히는 힌트가 될 수가 있다. 또한 이렇게 밝혀진 의식의 근본적 성질을 신경질환 치료의 새로운 연구로 이어질 수 있다고 연구팀은 덧붙였다.
(참조 frontiers, johnshopkins 홈페이지, sputnik)
효율적인 인간의 뇌에 주목하는 것은 같으나 바이오 컴퓨팅은 싱크론과 일론 머크의 뇌-컴퓨터보다 훨씬 앞서가는 구상이다. 바이오컴퓨팅은 동물실험이나 임상실험이 필요없다.
과학자들은 육신에서 떼어낸 뇌세포가 육신도 없이 작동하게 했다. 결과까지의 과정을 분석해보니 신경세포가 자극을 받고 상황을 더 예측하기 쉽도록 스스로 활동을 재편성하는 것을 배운 것이다.
