소개
인간의 뇌 세포로 구동되는 바이오 컴퓨터가 현실이 될까요? 과학자들은 인간의 뇌 세포를 배양하고 컴퓨터 하드웨어로 사용하는 바이오 컴퓨터를 만들 계획을 세웠습니다.
살아있는 사람의 뇌를 컴퓨터에 직접 연결하는 대신 인간 세포로 만든 배양 오가노이드를 사용한다.
이 분야는 인간의 뇌에 가까운 컴퓨팅 파워를 확보하고 뇌와 신경계 질환을 예방하고 치료하는 등 의료 분야 발전에도 기여할 수 있다.
미국 존스 홉킨스 대학의 Thomas Hartung 교수는 바이오컴퓨팅 분야의 국제 협력 연구 팀을 이끌고 있습니다.
2023년 2월 28일 공동연구팀은 인간의 뇌세포에서 3차원으로 성장시킨 뇌 오가노이드를 활용한 혁신적인 바이오컴퓨터 개발 방안을 발표했다.
그녀의 새로운 연구 분야는 Organoid Intelligence(OI)입니다.
전 세계 최고의 과학자들이 빠르고 강력하며 효율적인 기술을 개발하여 수십 년 내에 바이오컴퓨팅 시대를 열 것입니다.
인공지능보다 뛰어난 오가노이드 지능 O
오가노이드는 Organ(기관) + oid(접미사는 유사하다는 의미)의 합성어입니다.
뇌 오가노이드는 피부 줄기세포를 실험실에서 3차원 배양한 후 재조합해 만든 인공 뇌세포다.
연구팀은 최초로 뇌 오가노이드를 2차원 구조로 배양하는 데 성공했다.
그리고 이를 3차원 구조로 배양하면 뇌세포의 밀도가 1,000배 증가한다.
이런 식으로 신경계의 단위인 다른 뉴런들이 서로 연결될 수 있다.
연구팀은 2012년부터 인간 피부세포를 배아줄기세포와 유사하게 재설계해 뇌세포로 키워 기능성 오가노이드를 만드는 실험을 진행하고 있다.
그 결과, 연구원은 약 50,000개의 신경 세포를 포함하는 오가노이드를 만들었습니다.
이것은 Drosophila의 신경계에 있는 뉴런의 수에 해당합니다.
이 오가노이드는 바이오컴퓨터 제조용 재료입니다.
위의 뇌 오가노이드 이미지에서 분홍색은 뉴런, 파란색은 핵, 빨간색은 희소돌기아교세포, 녹색은 성상세포입니다.
인공지능이 아무리 발달해도 인간의 뇌보다 효율이 떨어진다는 믿음을 바탕으로 바이오컴퓨팅을 발전시킨다.
연구팀은 뇌가 컴퓨터보다 정보 저장 용량이 더 크다고 믿고 있다.
그러나 OI는 아직 초기 단계입니다.
컴퓨터 아케이드 게임 ‘퐁’에서 접시에서 길러진 ‘미니 뇌’가 인공지능 AI보다 월등한 학습 능력을 보였다.
이러한 분석에 이어 호주 생명공학 기업인 Cortical Labs의 공동 연구자이자 최고 과학 책임자인 Brett Kkon은 OI의 가능성을 시사하는 연구를 2022년 10월 국제 저널 Neuron에 발표했습니다.
연구팀은 “생물학적 하드웨어” 역할을 하는 바이오컴퓨터가 막대한 전력을 필요로 하는 슈퍼컴퓨터의 전력 요구 사항을 줄일 수 있다고 믿고 있다.
TOP500 슈퍼컴퓨터의 세계 순위에서 미국의 슈퍼컴퓨터 프론티어는 2022년 11월까지 확실한 1위를 유지하고 있습니다.
프론티어는 2022년 6월 처음으로 인간 두뇌의 처리 능력을 능가했습니다.
하지만 인간의 뇌보다 100만 배나 많은 전기를 계산에 사용한다.
국경 건설에 6억달러(7933억원)가 투입됐다.
정보 저장 용량 면에서 우위를 점한 브레인 컴퓨터
뇌는 정보 저장 용량에 있어서도 컴퓨터보다 앞서 있습니다.
컴퓨터의 작은 칩에 트랜지스터를 집어넣는 것에는 물리적인 한계가 있고, 세계의 일반 컴퓨터와 슈퍼컴퓨터도 곧 한계에 도달할 것입니다.
그래서 양자 컴퓨터가 개발되고 있습니다.
그리고 바이오컴퓨터가 대안입니다.
뇌에는 약 100억 개의 뉴런이 있으며 1015개 이상의 지점으로 연결되어 있습니다.
뇌의 저장 용량은 무려 2500TB(테라바이트, 1TB는 1024GB)로 추정됩니다.
뇌 오가노이드를 바이오컴퓨터로 발전시키기 위해서는 먼저 연구팀이 이를 확대해야 한다.
뇌 오가노이드가 OI가 되려면 현재 초파리의 신경계 수준인 5만개에서 1000만개로 뇌의 뉴런 수를 늘려야 한다.
뇌 오가노이드와 기존 컴퓨터가 신호를 주고받을 수 있도록 하는 개방형 기술도 개선되고 있다.
연구팀은 지난 2022년 8월 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치를 개발했다.
작은 전극으로 촘촘하게 덮인 유연한 껍질 형태를 취하며 뇌 오가노이드의 신호를 감지하고 신호를 오가노이드로 전달할 수 있습니다.
동물실험 없이 자폐증, 뇌질환 등 의학개발에 적용 가능
바이오컴퓨팅은 컴퓨터뿐만 아니라 뇌의학 발전에도 응용될 수 있다.
신경발달 장애 및 퇴행 관련 약물 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.
이를 통해 인지 문제가 발생하는 기본 메커니즘을 분석할 수 있습니다.
https://www.frontiersin.org/journals/science/articles/10.3389/fsci.2023.1017235
연구에 참여하고 있는 Lena Smirnova 교수는 OI가 동물 연구에 의존하지 않고도 자폐증과 같은 뇌 질환과 관련된 신경망의 변화를 이해할 수 있는 도구라고 말했습니다.
(한도 참조, Johnshopkins 홈페이지)
끝
효율적인 인간 두뇌에 대한 초점은 동일하지만 바이오컴퓨팅은 Synchron과 Elon Merck의 두뇌 컴퓨터보다 훨씬 앞선 아이디어입니다.
바이오컴퓨팅은 동물 실험이나 임상 연구가 필요하지 않습니다.
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