This is a map of half a billion connections in a tiny bit of mouse brain

쥐의 뇌 구조를 보여주는 지도

과학자들이 인간이 뇌와 매우 유사한 구조를 가진 뇌의 구조를 보여주는 지도를 공개했다. 지금까지 제작된 포유류 뇌의 3D 지도 중에서 가장 상세한 지도로 평가되는 가운데 이번 연구가 인간 지능을 둘러싼 근본적인 비밀을 여는 열쇠 역할을 해줄 수 있을지 주목된다.

신경과학자들이 지금까지 제작된 포유류 뇌의 3D 지도 중에 가장 상세한 지도를 공개했다. 과학자들은 이번 지도 제작을 위해 인간의 뇌와 매우 유사한 구조를 가진 쥐의 뇌를 사용했다.

대중에게 무료로 공개된 이번 뇌 지도와 지도 제작에 사용된 자료를 모아 놓은 데이터 세트는 쥐의 뇌에서 모래알 하나 정도의 크기에 지나지 않는 작은 부분 안에 담긴 20만 개 이상의 뉴런과 5억 개 이상의 뉴런 연결망을 보여준다.

이번 연구는 ‘MICrONS(Machine Intelligence from Cortical Networks, 대뇌피질 망으로부터 연구하는 기계 지능) 프로젝트’의 일환으로 진행되었다. MICrONS 프로젝트는 포유류의 뇌에서 계획과 추론 등의 고위 인지 기능을 담당하는 대뇌피질을 리버스 엔지니어링(reverse-engineering)하여 다음 세대의 머신러닝 알고리즘(machine learning algorithm)을 개선하려는 계획이다. 이번 데이터 수집은 앨런 연구소(Allen Institute), 베일러 의과대학(Baylor College of Medicine), 프린스턴 대학교의 연구진이 이끄는 연구 협력단이 맡았다.

프린스턴 대학교의 컴퓨터 공학 및 신경과학 교수이자 MICrONS 프로젝트를 이끄는 수석 연구자인 세바스찬 승(H. Sebastian Seung, 승현준)은 “어떤 이들은 인간 지능의 근본적인 비밀이 대뇌피질 연구를 통해 밝혀질 가능성이 있다고 생각한다. 그렇기 때문에 대뇌피질 연구가 신경과학 분야에서 그렇게 불가사의하면서도 매력적인 주제가 된 것”이라고 말한다. 과학자들이 뇌에 관해 더 알아갈수록 그러한 발견을 통해 더 인간 같은 인공지능(AI)에 가까워질 수 있다.

이번 지도 제작은 3단계에 걸친 5개년 프로젝트로 진행되었다. 첫 단계는 살아있는 쥐의 뇌가 어떤 활동을 하는지 측정하는 것으로, 이 단계에서 쥐가 시각 정보를 처리하는 동안 활성화된 뇌세포 사진 7만 장 이상을 수집했다. 그러고 나서 연구팀은 쥐의 뇌에서 작은 조각을 잘라낸 뒤 그 조각을 다시 2만 5천여 개의 극도로 얇은 슬라이스로 쪼갰다. 다음 단계로 연구팀은 전자 현미경을 사용하여 그렇게 쪼갠 뇌 조각들을 1억 5천만 화소 이상의 초고해상도 사진으로 촬영했다.

이전의 ‘뇌 회로도’들은 초파리와 인간 뇌의 ‘커넥톰(connectome, 뇌 신경망 지도)’을 만들었다. MICrONS 프로젝트가 좋은 평가를 받고 있는 한 가지 이유는 연구에서 수집한 데이터 세트가 뇌에 관한 과학자들의 이해를 높이는 것뿐만 아니라 어쩌면 뇌 기능 장애를 치료하는 데까지도 도움이 될 수 있다는 점이다.

이번 연구에는 참여하지 않았으나 하버드 대학교의 분자세포생물학 교수로 쥐의 뉴런 활동을 연구하고 있는 벤카테시 머시(Venkatesh Murthy)는 이번 프로젝트가 매우 정교한 고해상도의 ‘정지 화면’을 제공하기 때문에 자신을 비롯한 과학자들이 그러한 이미지를 확대하여 들여다보면서 각 뉴런이 상호작용하는 방식을 파악할 수 있는 일종의 ‘조감도’를 얻은 것과 같다고 말한다.

앨런 연구소의 수석 연구원이자 MICrONS 프로젝트를 이끄는 또 한 명의 수석 연구자인 클레이 리드(R. Clay Reid)는 이번 프로젝트의 연구가 완성되기 전에는 이 정도 수준의 뇌 지도 제작이 불가능하다고 생각했을 것이라고 말한다.

리드는 머신러닝으로 뇌의 2차원 회로도를 3차원 모델로 전환하는 과정이 급격하게 향상되어 왔다고 말하며, “이는 매우 오래된 분야와 새로운 접근법의 재미있는 결합”이라고 설명한다.

리드는 다른 이들이 이용할 수 있는 근본적인 지식을 제공했다는 점에서 이번 뇌 지도를 첫 번째 인간 게놈 지도에 비유한다. 그는 이번에 공개된 뇌 사진들이 이전에는 볼 수 없었던 뇌 내부의 구조와 관계를 이해하는 데 도움을 줄 것이라고 전망한다.

리드는 “나는 많은 부분에서 이번 연구를 출발점이라고 여기고 있다”라고 말하며, “이번 연구의 데이터와 AI 기반으로 재구성된 신경망 지도는 인터넷이 연결된 컴퓨터가 있는 사람이라면 누구나 이용할 수 있고, 이를 통해 뇌에 관한 놀라운 질문을 할 수 있게 될 것”이라고 전망한다.

미리보기 3회1회

MIT Technology Review 구독을 시작하시면 모든 기사를 제한 없이 이용할 수 있습니다.