뇌 오가노이드 – 컴퓨터에 연결된 인공 뇌 조직이 방정식을 풀다
뇌 오가노이드 – 컴퓨터에 연결된 인공 뇌 조직이 방정식을 풀다
위의 그림을 보세요. 그건 인간이야 신경 세포, 즉 뉴런실험실에서 성장한 “뇌 오가노이드”입니다.
현재 이러한 뇌 오가노이드를 통해 수학 방정식을 푸는 단계까지 연구가 진행되고 있다고 한다.
그런데 컴퓨터가 있으면 왜 신경세포를 배양하고 계산을 하려고 합니까?
정말 신비한 뇌 조직 배양의 세계, “뇌 오가노이드”에 대해 알아봅시다.
인간 두뇌의 성능
연구진에 따르면 인간의 뇌는 산술과 같은 단순한 정보 처리는 기계보다 느리지만 복잡한 정보 처리는 기계보다 낫다. 860억에서 1000억 개의 뉴런과 100조 개의 시냅스에 연결된 인간의 뇌는 2500테라바이트(250만 기가바이트)의 저장 용량을 가지고 있습니다.
에너지 효율도 높다. 미국 최대의 슈퍼컴퓨터 프론티어에는 21메가와트의 전력이 필요합니다. Frontier의 컴퓨팅 성능은 1.1엑사플롭입니다. 1.1 엑사플롭은 초당 110,000조 회 처리 능력을 가지고 있음을 의미합니다. 대조적으로 프론티어와 비슷한 컴퓨팅 성능을 가진 인간의 두뇌는 초당 20와트의 전력만 소비합니다.
데이터 효율성이 더 높습니다. 컴퓨터는 Spot the Difference 작업을 완료하기 위해 100만 ~ 1천만 개의 샘플을 사용하는 반면 인간은 10개의 훈련 샘플이 필요합니다. 2016년 이세돌을 9단으로 꺾고 세계를 놀라게 한 바둑 인공지능 알파고도 데이터 효율성은 사람 못지않다. AlphaGo는 160,000개의 게임 데이터를 학습했습니다.
하루 5시간만 주어진다면 175년 동안 한 사람에게서 지속적으로 수집할 수 있는 데이터다. 4주 동안 AlphaGo를 훈련하는 데 10기가줄의 에너지가 필요했습니다. 이것은 성인의 10년 대사율에 해당합니다.
연구원들은 “이론적으로 미국 데이터 센터에 전력을 공급하려면 500메가와트 등급의 석탄 화력 발전소 34개가 필요하지만 인간의 두뇌에 전력을 공급하는 데는 1,600킬로와트만 필요하다”고 말했다.
오가노이드 세포 수를 1000만개로 증가
그래서 우리가 뇌의 기능을 컴퓨터로 끌어와 사용할 수 있다면 데이터 처리 속도나 능력, 저장 용량, 전력 효율성을 크게 높일 수 있습니다.
연구를 이끈 토마스 하퉁 존스홉킨스대 교수는 2012년부터 인간 피부세포를 재프로그래밍해 만든 줄기세포를 배양해 뇌 오가노이드를 만들고 있다. 그가 만든 오가노이드에는 약 50,000개의 세포가 들어 있습니다. 그것은 초파리의 신경계 정도의 크기이며 저장 용량은 약 800MB입니다. 인간 뇌의 약 1/3백만 크기입니다.
이를 오가노이드 지능으로 활용하기 위해서는 먼저 오가노이드의 크기를 키워야 한다. 하통 교수는 뇌 오가노이드의 세포 수가 1000만개로 증가해야 한다고 말했다.
또한 오가노이드에 정보를 보내고 오가노이드로부터 정보를 받는 장치도 필요합니다. 연구팀은 지난해 8월 오가노이드용 뇌파도(EEG) 캡을 개발해 발표했다. Hatung 교수에 따르면 “이 장치는 신호를 감지하고 신호를 오가노이드로 전송할 수 있는 작은 전극으로 덮인 유연한 껍질입니다.”
오가노이드 지능은 아직 초기 단계입니다. 하퉁 교수는 “오가노이드 지능이 쥐의 뇌 수준에 도달하려면 수십 년이 걸릴 수 있다”고 말했다. 그러나 작년에 Cortical Labs의 슬래브 브레인의 비디오 게임 기량은 약속을 보여주었습니다.
Hatong 교수는 Cortical Labs의 슬래브 뇌가 오가노이드 지능의 기본 정의를 충족한다고 평가했습니다. “지금부터 남은 것은 커뮤니티, 도구 및 기술을 구축하여 잠재력을 최대한 발휘하는 것입니다.”라고 그는 말했습니다.
Hatung 교수는 바이오컴퓨터가 완성되는 데 수십 년이 걸릴 것으로 예상하지만 일단 완성되면 컴퓨팅 성능을 기하급수적으로 확장하고 새로운 연구 영역을 창출할 것입니다.
넘어야 할 벽…생명윤리 논란
그러나 바이오컴퓨터의 발전에는 주요 장애물을 극복해야 한다. 생명 윤리에 관한 논란입니다.
뇌 세포가 발달함에 따라 오가노이드 컴퓨팅 능력도 발달합니다. 그렇다면 허용 한도는 얼마입니까?
인간의 뇌 오가노이드가 의식이 있는지 또는 통증을 느낄 수 있는지 여부, 오가노이드를 만드는 데 사용된 세포 기증자가 해당 오가노이드에 대해 가질 수 있는 권리를 포함하여 많은 질문이 제기될 수 있습니다. 이러한 우려는 오가노이드가 구조적으로 더 복잡해짐에 따라 증가할 것입니다.
연구팀은 생명윤리 준수와 사회적 책임을 원칙으로 개발 초기 단계부터 윤리학자와 협업하는 방침을 세웠다. 우리는 연구가 진행됨에 따라 과학자, 윤리학자 및 일반 대중으로 구성된 팀과 함께 이 주제에 대해 계속 논의하고 평가할 계획입니다.
남아공 케이프타운 대학의 Julian Kindlerer 교수(지적 재산)는 Science에 발표된 기사에서 오가노이드 지능의 이해와 개발에 대중을 참여시키는 것이 매우 중요하다고 말했습니다.
바이오컴퓨터 과학자들은 지난해 2월 오가노이드 인텔리전스 커뮤니티(Organoid Intelligence Community)를 설립하고, 8월 제1차 오가노이드 인텔리전스 워크숍을 개최했으며, 오가노이드 인텔리전스 탐사를 위한 볼티모어 선언문을 발표했다. 이 성명서에서 그들은 오가노이드 지능을 구축하는 데 있어 기술 및 윤리적 문제를 해결하기 위해 여러 분야의 협력에 전념했습니다.
오가노이드가 진정으로 배양되고 일정량이 축적되면 “양-질 전환”이 발생할 수 있습니다. 오가노이드가 자각하게 되면 이 페트리 접시에 있는 물질을 어떻게 다룰지에 대해 매우 까다로운 윤리적 문제가 발생할 수 있다고 생각합니다.