인간의 두뇌는 계산의 대가입니다. 뇌에서 영감을 받은 알고리즘부터 뉴로모픽 칩에 이르기까지 과학자들이 기계의 성능을 향상시키기 위해 뇌의 플레이북을 차용하고 있다는 것은 놀라운 일이 아닙니다.
그러나 소프트웨어와 하드웨어 모두에서 결과는 뉴런에 내장된 복잡한 계산 의 일부만을 포착합니다 . 그러나 뇌와 유사한 컴퓨터를 만드는 데 있어서 가장 큰 장애물은 아마도 우리가 뇌가 어떻게 작동하는지 완전히 이해하지 못한다는 점일 것입니다. 예를 들어, 사전 설정된 레이어, 영역 및 끊임없이 변화하는 신경 회로로 정의된 아키텍처는 효율성이 높고 에너지 사용량이 낮은 혼란스러운 세계를 어떻게 이해합니까?
그렇다면 이 수수께끼를 피하고 신경 조직을 직접 바이오컴퓨터로 사용하는 것은 어떨까요?
이번 달 존스 홉킨스 대학교 팀은 새로운 컴퓨팅 분야인 오가노이드 지능(OI)에 대한 대담한 청사진을 제시했습니다 . 걱정하지 마세요. 그들은 단지 안에 있는 전선에 연결된 살아있는 인간의 뇌 조직을 사용하는 것에 대해 말하는 것이 아닙니다. 오히려 이름에서 알 수 있듯이 “미니 두뇌”로 더 잘 알려진 두뇌 유기체에 초점이 맞춰져 있습니다. 이 완두콩 크기의 덩어리는 유전자 발현, 다양한 뇌 세포 및 조직에서 초기 태아 인간 뇌와 대략 유사합니다. 그들의 신경 회로는 자발적인 활동으로 불꽃을 일으키고, 뇌파로 파동을 일으키며 , 심지어 빛을 감지하고 근육 움직임을 제어 할 수도 있습니다 .
본질적으로, 뇌 유기체는 뇌를 제한된 정도로 복제하는 고도로 발달된 프로세서입니다. 이론적으로 다양한 유형의 미니 뇌는 뇌-기계 인터페이스와 다르지 않고 신체 외부의 회로로서 디지털 센서 및 출력 장치에 연결될 수 있습니다. 장기적으로는 바이오 피드백과 기계 학습 방법을 사용하여 훈련된 슈퍼 바이오컴퓨터에서 서로 연결되어 “접시 속의 지능”을 구현할 수도 있습니다.
좀 소름 끼치는 것 같나요? 나는 동의한다. 과학자들은 어디에서 선을 그어야 할지 오랫동안 토론해 왔습니다. 즉, 미니 뇌가 인간의 뇌와 너무 비슷해지면 너겟이 의식을 발달시키는 가상의 악몽 시나리오가 발생합니다.
팀에서는 잘 알고 있습니다. 유기체 지능의 일부로서 과학자, 생명윤리학자 및 대중이 개발 전반에 걸쳐 참여하는 컨소시엄과 함께 “내재된 윤리”의 필요성을 강조합니다. 그러나 수석 저자인 Thomas Hartung 박사는 지금이 바로 유기체 지능 연구를 시작할 때라고 말합니다.
“생물학적 컴퓨팅(또는 바이오컴퓨팅)은 실리콘 기반 컴퓨팅 및 AI보다 더 빠르고 효율적이며 강력할 수 있으며 에너지의 일부만 필요합니다.”라고 팀은 썼습니다.
똑똑한 솔루션
뇌 조직을 컴퓨터 하드웨어로 사용하는 것은 이상해 보일 수 있지만 이전의 개척자가 있었습니다. 2022년 호주 회사인 Cortical Labs는 가상 환경 내에서 탁구 게임을 할 수 있도록 접시에 있는 수십만 개의 분리된 뉴런을 가르쳤습니다 . 딥러닝 알고리즘으로 구동되는 실리콘 칩과 연결된 뉴런은 학습의 기본적인 신경생물학적 징후를 포착하는 “합성 생물학적 지능 플랫폼”으로 연결됩니다.
여기서 팀은 아이디어를 한 단계 더 발전시켰습니다. 분리된 뉴런이 이미 기초적인 형태의 바이오컴퓨팅을 지원할 수 있다면 3D 미니 뇌는 어떨까요?
10년 전 데뷔한 이래로 미니 두뇌는 자폐증과 같은 신경 발달 장애를 검사하고 신약 치료법을 테스트하는 데 사랑을 받아왔습니다. 종종 환자의 피부 세포에서 자라서 유도만능줄기세포(iPSC)로 변형되는 이 오가노이드는 신경 배선을 포함하여 사람의 유전적 구성을 모방하는 데 특히 강력합니다. 최근에는 인간 오가노이드가 숙주 뉴런과 통합된 후 쥐의 손상된 시력을 부분적으로 회복했습니다 .
즉, 미니 두뇌는 이미 생물학적 두뇌와 쉽게 연결되는 플러그 앤 플레이 바이오컴퓨팅 시스템을 위한 구성 요소입니다. 그렇다면 컴퓨터용 프로세서로 활용해 보는 것은 어떨까요? “문제는 우리가 이러한 오가노이드로부터 학습하고 컴퓨팅 능력을 활용할 수 있는가 하는 것입니다.” 팀이 물었다.
거대한 청사진
작년에 바이오컴퓨팅 전문가 그룹은 미니 두뇌를 바이오컴퓨터로 사용하고 그 의미를 다루는 커뮤니티를 형성하기 위한 노력의 일환으로 첫 번째 유기체 지능 워크숍 에서 연합했습니다. ‘볼티모어 선언’으로 통합된 가장 중요한 주제는 협력이었습니다. 미니 뇌 시스템에는 입력을 감지하는 장치, 프로세서, 판독 가능한 출력 등 여러 구성 요소가 필요합니다.
새로운 논문에서 Hartung은 유기체 지능을 가속화하기 위한 4가지 궤적을 구상합니다.
첫 번째는 중요한 구성 요소인 미니 두뇌에 중점을 둡니다. 학습과 기억을 지원하는 뇌세포가 빽빽하게 들어있긴 하지만, 오가노이드를 대규모로 배양하는 것은 여전히 어렵습니다. 저자들은 초기 주요 목표는 규모를 확대하는 것이라고 설명했습니다.
“어린이집” 역할을 하는 미세유체 시스템도 개선해야 합니다. 이 첨단 기술의 거품 목욕은 영양분과 산소를 공급하여 새로 자라나는 미니 뇌를 살아 있고 건강하게 유지하는 동시에 독성 폐기물을 제거하여 성숙할 시간을 줍니다. 동일한 시스템은 신경전달물질(뉴런 간의 통신을 연결하는 분자)을 특정 영역으로 펌핑하여 성장과 행동을 수정할 수도 있습니다.
그러면 과학자들은 다양한 전극을 사용하여 성장 궤적을 모니터링할 수 있습니다. 대부분은 현재 2D 시스템에 맞춰져 있지만 팀과 다른 팀은 구형 형태로 배치된 여러 전극이 있는 EEG(뇌전도) 캡에서 영감을 받아 오가노이드용으로 특별히 설계된 3D 인터페이스로 수준을 높이고 있습니다.
그런 다음 신호 디코딩이 이루어집니다. 두 번째 궤적은 미니 뇌 내부의 신경 활동이 언제 어디서 일어나는지 해독하는 것입니다. 특정 전기 패턴(예: 뉴런이 퐁(Pong)을 플레이하도록 장려하는 패턴)이 적용되면 예상한 결과가 출력됩니까?
또 다른 어려운 작업입니다. 학습은 여러 수준에서 신경 회로를 변화시킵니다. 그럼 무엇을 측정해야 할까요? 팀은 뉴런의 변경된 유전자 발현과 신경 네트워크에 연결되는 방법을 포함하여 여러 수준을 파헤칠 것을 제안합니다.
AI와 협업이 주목을 받을 수 있는 곳이 바로 여기입니다. 생물학적 신경망은 시끄러우므로 “학습”이 명백해지기 전에 여러 번의 시도가 필요하며 결과적으로 엄청난 양의 데이터가 생성됩니다. 팀에게 있어서 머신러닝은 미니 두뇌가 처리하는 다양한 입력이 어떻게 출력으로 변환되는지 추출하는 완벽한 도구입니다. BRAIN Initiative 와 같은 대규모 신경과학 프로젝트와 마찬가지로 과학자들은 글로벌 협업을 위해 커뮤니티 작업 공간에서 오가노이드 지능 연구를 공유할 수 있습니다.
3번째 궤도는 더 먼 미래에 있습니다. 효율적이고 오래 지속되는 미니 두뇌와 측정 도구를 사용하면 보다 복잡한 입력을 테스트하고 자극이 생물학적 프로세서에 어떻게 피드백되는지 확인할 수 있습니다. 예를 들어, 계산이 더 효율적으로 이루어지나요? 다양한 유형의 오가노이드(예: 피질과 망막과 유사한 오가노이드)가 상호 연결되어 보다 복잡한 형태의 오가노이드 지능을 구축할 수 있습니다. 이는 “지능에 대한 신경 계산 이론을 경험적으로 테스트하고, 탐구하고, 더욱 발전시키는” 데 도움이 될 수 있다고 저자는 썼습니다.
주문형 인텔리전스?
네 번째 궤적은 전체 프로젝트에 밑줄을 긋는 것, 즉 바이오컴퓨팅을 위한 미니 두뇌 사용의 윤리입니다.
뇌 유기체가 점점 더 뇌와 유사해지면서 설치류의 손상된 시각 시스템을 통합하고 부분적으로 복원 할 수 있게 되면서 과학자들은 일종의 인식을 얻을 수 있는지 묻고 있습니다.
분명히 말하면, 미니 뇌가 의식이 있다는 증거는 없습니다. 그러나 “유기노이드가 구조적으로 더 복잡해지고, 입력을 받고, 출력을 생성하고, 적어도 이론적으로는 환경에 대한 정보를 처리하고 원시 기억을 구축하기 때문에 이러한 우려는 유기형 지능이 개발되는 동안 커질 것입니다.”라고 저자는 말했습니다. 그러나 유기체 지능의 목표는 인간의 의식을 재현하는 것이 아니라 뇌의 계산 기능을 모방하는 것입니다.
미니 브레인 프로세서가 유일한 윤리적 문제는 아닙니다. 또 하나는 세포 기증이다. 미니 뇌는 기증자의 유전적 구성을 유지하기 때문에 선택 편향과 신경 다양성 제한의 가능성이 있습니다.
그렇다면 사전 동의의 문제가 있습니다. 유명한 암 세포주인 HeLa 세포의 역사가 보여주듯이 , 세포 기증은 여러 세대에 걸쳐 영향을 미칠 수 있습니다. “오가노이드는 세포 기증자에 대해 무엇을 보여줍니까?” 저자들이 물었다. 연구자는 연구 중에 신경학적 장애를 발견한 경우 기증자에게 이를 알릴 의무가 있습니까?
“진정으로 미지의 영역”을 탐색하기 위해 팀은 내재된 윤리 접근 방식을 제안합니다. 각 단계에서 생명윤리학자들은 연구팀과 협력하여 대중의 의견을 수집하는 동시에 잠재적인 문제를 반복적으로 파악합니다. 이 전략은 인간의 유전자 편집 과 같은 논란이 많은 다른 주제와 유사합니다 .
미니 두뇌 구동 컴퓨터는 몇 년 뒤에 나올 것입니다. Hartung은 “모든 유형의 컴퓨터와 비교할 수 있는 목표를 달성하려면 수십 년이 걸릴 것입니다.”라고 말했습니다. 하지만 이제 시작할 시간입니다. 프로그램을 시작하고, 여러 분야에 걸쳐 다양한 기술을 통합하고, 윤리적 논의에 참여하는 것입니다.
“궁극적으로 우리는 실리콘 기반 컴퓨팅과 AI의 많은 한계를 극복하고 전 세계적으로 중요한 영향을 미칠 수 있는 생물학적 컴퓨팅의 혁명을 목표로 하고 있습니다.”라고 팀은 말했습니다.
