뇌세포와 회로가 만났다… 하이브리드 컴퓨터 개발

미국 인디애나대 연구진
작은 뇌 조직 만든 뒤
이를 전기 회로와 연결
음성 인식하는 데 성공
AI와 뇌가 만난 기초연구 성과

인디애나대 연구진은 뇌 오가노이드를 전기 회로와 연결해 신호를 주고 받는데 성공했다. 특히 AI를 이용해 오가노이드가 인식한 음성을 분별해 내는 기술도 개발했다. [사진=네이처 일렉트로닉스]

미국 연구진이 뇌 조직과 컴퓨터 회로를 연결한 바이오컴퓨터를 개발했다. 연구진은 이 기술이 인공지능(AI) 시스템에 통합되거나 신경과학 분야에서 뇌의 개선된 모델의 기초가 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

미국 인디애나대 블루밍턴 연구진은 실험실에서 뇌 조직을 배양한 뒤 컴퓨터 회로와 결합, 음성 인식 등의 기능을 가진 ‘하이브리드 바이오 컴퓨터’를 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 일렉트로닉스’ 최신호에 게재됐다.

연구진은 이러한 연구를 위해 ‘오가노이드’를 이용했다. 오가노이드란 다양한 유형의 세포로 분화할 수 있는 줄기세포로 만들어지는데, 인간의 장기와 유사한 미니 장기를 뜻한다. 세포를 3차원 구조로 배열해 실제 조직과 유사하게 배열한 게 특징이다.

연구를 이끈 펑 궈 인디애나대 생명공학과 교수는 네이처와의 인터뷰에서 “AI와 오가노이드 사이의 다리를 건설하는 것이 목표”라며 “컴퓨팅을 위해 뇌 오가노이드 내의 생물학적 신경망을 활용할 수 있는지 알고 싶었다”라고 말했다.

이미지 생성형AI인 미드저니를 이용해 그린 뇌와 컴퓨터의 결합. 미드저니에 “무섭지 않게 그려줘”라고 부탁했지만 기괴한 느낌이 든다. [사진=미드저니]

연구진은 뇌 오가노이드와 전기 회로를 연결하기 위해 수천 개의 전극이 들어 있는 판 위에 오가노이드를 올려놓았다. 이후 연구진은 전기 신호를 오가노이드로 전달했다. 센서가 오가노이드 뇌 조직의 반응을 감지하고 이와 관련된 정보를 인식할 수 있는 게계학습을 이용해 ‘디코딩(사람이 해석할 수 있는 데이터로 전환)’한다. 연구진은 이 시스템의 이름을 ‘브레인오웨어(Brainware)’라 이름 붙였다.

이후 연구진은 이 시스템의 능력을 시험하기 위해 8명의 실험 참가자로부터 240개의 녹음된 음성을 흘려보냈다. 이 음성을 전기 신호로 바꾼 뒤 오가노이드에 전달했다. 미니 뇌는 서로 다른 음성에 각기 다른 반응을 보인 것으로 나타났다. 이어 AI를 이용해 서로 다른 반응을 학습했다. 연구진에 따르면 이 시스템은 78%의 정확도로 음성을 식별해냈다.

레나 스미르노바 존스홉킨스대학 교수는 이 연구에 대해 “더 많은 연구가 필요하지만 생물학 컴퓨터를 가능케 하는 몇 가지 이론적인 아이디어를 확인시켜주는 연구”라고 평가했다. 이전 연구는 뉴런 세포를 2차원으로 배양한 뒤 수행됐는데, 3차원 형태로 만든 상황에서도 연결이 가능함을 보여준 첫 번째 성과이기 때문이다.

연구진은 오가노이드와 컴퓨터를 연결할 수 있다면 인간 뇌의 속도, 에너지 효율을 AI에도 활용할 수 있을 뿐 아니라 치료를 위한 연구로도 쓸 수 있을 것으로 기대하고 있다. 연구진은 다음 단계로 지금보다 더 복잡한 오가노이드를 만든 뒤 이러한 시스템이 제대로 작동하는지 살펴본다는 계획이다.