'뇌 오가노이드' - 인공 뇌 조직 컴퓨터 연결하니 방정식 풀었다

'뇌 오가노이드' - 인공 뇌 조직 컴퓨터 연결하니 방정식 풀었다

'뇌 오가노이드' - 인공 뇌 조직 컴퓨터 연결하니 방정식 풀었다

'뇌 오가노이드' - 인공 뇌 조직 컴퓨터 연결하니 방정식 풀었다

 

저 위의 사진을 보십시오. 저것이 인간의 신경세포, 즉 뉴런을 실험실에서 배양해낸 '뇌 오가노이드'입니다.

 

이런 뇌 오가노이드를 통해 수학 방정식을 푼 단계까지 지금 연구가 발전해 있다고 하네요.

 

그런데, 굳이 컴퓨터가 있는데 왜 신경세포를 배양해서 계산 등을 하려고 하는 것일까요.

 

참으로 신비한 뇌 조직 배양의 세계, '뇌 오가노이드'에 대해 알아보겠습니다.

인간 뇌의 효율성

연구진에 따르면 사람의 뇌는 산술과 같은 간단한 정보를 처리하는 데서는 기계보다 느리지만 복잡한 정보를 처리하는 데서는 기계보다 낫다고 합니다. 860억~1000억개의 뉴런과 100조개의 시냅스로 연결돼 있는 사람의 뇌는 저장 용량, 즉 기억 용량이 2500테라바이트(250만기가바이트)에 이릅니다.

 

에너지 효율도 높습니다. 미국의 세계 최고 슈퍼컴퓨터 프런티어를 구동하는 데는 21메가와트의 전력이 필요합니다. 프런티어의 연산능력은 1.1엑사플롭스입니다. 1.1엑사플롭스는 1초당 110경번의 연산 능력을 갖고 있다는 뜻입니다. 반면 1초당 연산 능력이 프런티어와 비슷한 사람의 뇌는 20와트의 전력만 소비합니다.

 

데이터 효율은 더 높습니다. 사람이 10개의 훈련 샘플이 필요한 ‘틀린 부분 찾기’ 임무를 수행하는 데 컴퓨터는 100만~1000만개의 샘플이 필요합니다. 2016년 이세돌 9단을 꺾어 세상을 깜짝 놀라게 한 바둑 인공지능 알파고도 데이터 효율에선 사람에게 미치지 못합니다. 알파고는 16만번의 게임 데이터를 학습했습니다.

 

하루 5시간씩 둘 경우 한 사람이 175년간 계속 해야 습득할 수 있는 데이터입니다. 알파고를 훈련시키는 데는 4주 동안 10기가줄의 에너지가 필요했습니다. 이는 성인의 10년간 신진대사량에 해당하는 양입니다.

 

연구진은 “이론적으로만 따지면 미국 데이터센터를 유지하는 데는 500메가와트 용량의 석탄발전소 34개가 필요하지만 사람의 뇌를 이용할 경우엔 1600킬로와트만 있으면 된다”고 밝혔습니다.

 

오가노이드 세포 수 1000만개로 늘려야

따라서 뇌의 기능을 컴퓨터에 끌어다 쓸 수만 있다면 데이터 처리 속도나 능력, 저장 능력, 에너지 효율 등을 크게 높일 수 있습니다.

 

이번 연구를 주도한 존스홉킨스대 토머스 하퉁(Thomas Hartung) 교수는 2012년부터 사람의 피부 세포를 재프로그래밍해 만든 줄기세포를 배양해 뇌 오가노이드를 만들어 왔습니다. 그가 만든 오가노이드에는 약 5만개의 세포가 들어 있습니다. 이는 초파리 신경계 크기에 해당하는 것으로 저장 용량은 약 800메가바이트입니다. 인간 뇌의 약 300만분의 1 수준입니다.

 

이를 오가노이드 지능으로 쓰려면 우선 오가노이드의 규모를 더 키워야 합니다. 하퉁 교수는 뇌 오가노이드의 세포 수를 1000만개로 늘려야 한다고 말했습니다.

또 오가노이드에 정보를 보내고 오가노이드로부터 정보를 받는 장치가 필요합니다. 연구진은 지난해 8월 오가노이드용 뇌전도(EEG) 캡을 개발해 발표한 바 있습니다. 하퉁 교수에 따르면 “이 장치는 오가노이드의 신호를 포착하고 오가노이드에 신호를 전송할 수 있는 작은 전극으로 덮여 있는 유연한 껍질”입니다.

 

오가노이드 지능은 아직 초기 단계입니다. 하퉁 교수는 “오가노이드 지능이 생쥐 뇌 수준의 능력을 발휘하기까지는 수십년이 걸릴 수도 있다”고 말했습니다. 그러나 지난해 코티컬랩스의 접시뇌가 보여준 비디오게임 능력은 가능성을 보여줬습니다.

하퉁 교수는 코티컬랩스의 접시뇌가 오가노이드 지능의 기본 정의를 충족시켜준다고 평가했습니다. 그는 “이제부터는 잠재력을 최대한 실현하기 위한 커뮤니티, 도구, 기술을 구축하는 일이 남았다”고 말했습니다.

 

하퉁 교수는 바이오컴퓨터를 완성하려면 수십년이 걸릴 것이지만, 일단 완성되면 컴퓨팅 능력을 기하급수적으로 확장하고 새로운 연구 분야를 창출할 것으로 기대했습니다.

넘어야 할 벽…생명윤리 논란

그러나 바이오컴퓨터 개발에는 넘어야 할 커다란 벽이 있습니다. 생명윤리와 관련한 논란입니다.

 

뇌 세포가 발달할수록 오가노이드 컴퓨터 능력도 향상됩니다. 그렇다면 어디까지가 허용할 수 있는 한계일까요?

 

인간 뇌 오가노이드가 의식이 있거나 고통을 느낄 수 있는지, 오가노이드 제작에 사용된 세포 기증자는 그 오가노이드에 어떤 권리를 가질 수 있는지 등 여러 가지 문제가 제기될 수 있습니다. 오가노이드가 구조적으로 더 복잡해짐에 따라 이러한 우려가 높아질 것입니다.

연구진은 일단 생명 윤리와 사회적 책임을 준수한다는 원칙 아래 개발 초기 단계부터 윤리학자들과 협력한다는 방침을 세웠습니다. 연구 진행 단계에 맞춰 과학자와 윤리학자, 일반 대중으로 구성된 팀을 통해 지속적으로 이 문제를 토론하고 평가할 계획입니다.

남아프리카 케이프타운대의 줄리안 킨들러러 교수(지식재산권)는 ‘사이언스’에 발표한 기고문에서 오가노이드 지능의 이해와 개발에 대중을 포함시키는 것이 매우 중요하다고 말했습니다.

 

바이오컴퓨터를 연구하고 있는 과학자들은 지난해 2월 오가노이드 지능 커뮤니티를 결성한 데 이어 8월 제1차 오가노이드 지능 워크숍을 갖고 ‘오가노이드 지능 탐사를 위한 볼티모어 선언’을 발표했습니다. 이들은 이 선언에서 오가노이드 지능 구축을 위한 기술적, 윤리적 문제 해결을 위한 다학제간 협력을 다짐했습니다.

 

정말 오가노이드를 배양했을 때, 어느 정도 양이 축적되면 '양-질 전환'이 일어날 수 있겠죠. 혹시 오가노이드가 자의식을 갖거나 한다면, 이 배양접시 속의 물질을 어떻게 취급해야 할지, 아주 까다로운 윤리적 문제가 발생할 수 있다고 봅니다.