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- 뇌 세포가 뇌의 환경 없이도 스스로 학습할 수 있음을 증명
- 인간의 뇌 세포가 처음에는 생쥐의 뉴런보다 성능이 좋지 않았지만 훈련 후 바뀌어
- 인간 뉴런의 생물물리학적 구조, 다른 동물의 구조와 다를 수 있다는 초기 가정과 일치
- 지능을 이해하는 완전히 새로운 방법 제시

뉴런 세포 배양은 "퐁"을 배운다
인간의 뇌 세포는 목표 지향적 학습 능력을 보여준다.

세포 수준 지능:
인간의 뇌 세포는 실험에서 보여주듯이 세포 배양에서도 비디오 게임 "퐁"을 하는 법을 배울 수 있다. 표적 방식으로 발사함으로써 줄기 세포에서 자란 뉴런은 공이 치는 곳으로 막대를 "조정"하고 시간이 지남에 따라 정확도를 크게 향상시킨다. 이것은 연구자들이 전문 저널 "뉴런(Neuron)"에 보고한 바와 같이 고립된 뉴런이 학습하는 능력을 증명하고 우리 지능의 기본에 대한 통찰력을 제공한다. 

▲ 세포 배양에서 자란 뇌 세포는 오래된 비디오 게임 "퐁"(아이콘 이미지)을 하는 것을 배울 수 있다. © Cortical Labs (피질 연구소)

무엇이 우리를 똑똑하게 만드는가? 현재까지 이 질문은 부분적으로만 설명되었다. 우리는 우리의 사고, 학습 및 기억이 특정 뇌 세포의 조정된 발사에 의해 가능하며 우리가 배운 것이 무엇보다도 다른 뉴런과 뇌 영역 사이의 강화된 연결에서 나타난다는 것을 알고 있다. 그러나 개별 뇌 세포가 어떤 역할을 하며 "학습"할 수 있는지 여부는 대체로 불분명하다.

▲ 연구 개요도 (출처: 관련논문 In vitro neurons learn and exhibit sentience when embodied in a simulated game-world)

"DishBrain"은 뉴런을 자극하고 도청한다.

우리 인간이 이미 뉴런 수준에서 일종의 기본 지능을 가지고 있다는 실험이 처음으로 입증됐다. 뇌와 그 구조에서 분리되어 있어도 우리의 뇌 세포는 적응하고 특정 작업을 수행하는 방법을 배울 수 있다. "벌레든 파리든 인간이든 - 뉴런은 일반 지능의 기초다"고 멜버른의 Cortical Labs의 Brett Kagan은 말했다. "따라서 우리의 질문은 뉴런이 우리에게 이 고유한 지능을 보여주는 방식으로 뉴런과 상호 작용할 수 있는지 여부였다.“

실험을 위해 Kagan과 그의 팀은 먼저 유도된 줄기 세포에서 인간 뇌 세포를, 배아 세포에서 마우스 뉴런을 성장시켰다. 그들은 뉴런의 발화를 등록했지만 전기 자극 자체를 방출할 수 있는 미세 전극 어레이에서 결과 뉴런을 성장시켰다. 따라서 "DishBrain"이라고 불리는 이 시스템의 뉴런은 자극될 수 있지만 "도청"될 수 있는 생물학적 신경망을 형성했다.

▲ 이 뉴런은 미세 전극 어레이에서 자라며 이미 서로 복잡한 연결을 형성했다. © Cortical Labs

뉴런에 대한 학습 테스트로서의 비디오 게임 "퐁(Pong)“

그런 다음 실제 실험이 이루어졌다. 연구원들은 DishBrain의 전극을 사용해 오래된 비디오 게임 "Pong"을 시뮬레이션했다. 전기 자극은 공의 위치와 경로를 보여준다. 이제 뉴런이 시스템의 올바른 지점에서 발생하면 공을 반영하는 "막대"로 간주된다. 이 경우 뇌 세포는 시스템 전체에 걸쳐 균일한 10ms(밀리초) 동안 지속되는 신호 형태로 긍정적인 피드백을 받았다. 이후에도 공은 예측 가능한 방식으로 계속 날아갔다.

그러나 세포 배양의 중성자가 다른 곳에서 발사하여 공을 "놓치면" 예측할 수 없는 불규칙한 자극 형태로 부정적인 피드백을 받았다. 전극은 4초 동안 무작위로 발사되었다. 또한 게임이 다시 시작되었고 공은 무작위로 선택한 새 위치에서 이동하기 시작했다.

▲ 이 "퐁" 게임의 막대는 뉴런 세포 배양에 의해 제어된다. © Kagan et. al / Neuron

배후의 아이디어:
한 이론에 따르면 모든 자기 조직화 시스템은 행동을 조정하거나 안정적인 조건을 찾아 환경을 가능한 한 예측 가능하게 만들려고 한다. 이것은 에너지 소비를 줄이고 생존 가능성을 높인다. 동시에 이것은 학습과 지능의 첫 번째 형태가 등장한 가능한 방법으로 간주된다. "이론적으로 우리의 생물학적 신경망은 예측할 수 없는 피드백을 피하는 방식으로 작동해야 한다"고 Kagan과 그의 팀은 설명한다.

학습 효과 측정 가능

실제로 측정 가능한 학습 효과가 나타났다. 뉴런 배양물이 처음에 무작위로 발사된 후 여러 번 통과한 후 빈도가 증가하면서 올바른 위치에서 표적 방식으로 발사하여 "공"을 가로채기 시작했다. "인간과 쥐의 뉴런과 같은 세포 배양은 초기 성능을 향상시켜 처음보다 더 많은 연속 안타와 적은 공을 놓쳤다"고 팀이 보고했다. 대조적으로, 비-뉴런 세포를 사용한 대조군 배양은 변화를 나타내지 않았다.

따라서 실험은 뇌 세포가 뇌의 환경 없이도 스스로 학습할 수 있음을 증명한다. Kagan과 그의 동료들은 "우리는 배양에서 자란 뉴런의 단층이 지능적인 행동을 나타내는 방식으로 활동을 자체 조직화할 수 있음을 입증했다"며 "우리 시스템은 시험관 내에서 이러한 표적화 행동을 처음으로 시연한 것이다”고 말했다.

▲ 그림 4. 정보 밀도가 증가하는 회로도 및 파일럿 테스트 (A) DishBrain 설정의 도식적 개요도 (출처: 관련논문 그림 4 In vitro neurons learn and exhibit sentience when embodied in a simulated game-world / Cell)

인간 뉴런과 마우스 뉴런의 차이점

또한 흥미로운 사실은 인간의 뇌 세포가 처음에는 생쥐의 뉴런보다 성능이 좋지 않았지만 연구원들이 관찰한 것처럼 실험 과정에서 크게 바뀌었다. 훈련 단계 후, 인간 뉴런은 마우스 생물학적 신경망보다 실패한 시도가 적고 더 많은 공을 잡았다.

"이것은 비록 예비적이긴 하지만 - 인간 뉴런 자체가 설치류 뉴런보다 정보 처리 능력이 더 우수하다는 가설에 대한 기능적, 경험적 지원을 제공하는 첫 번째 연구다"고 팀은 말했다. 이것은 인간 뉴런의 생물물리학적 구조가 다른 동물의 구조와 다를 수 있다는 초기 가정과 일치한다. 예를 들어 자극에 대한 반응 측면에서 그렇다.

지능의 본질에 대한 통찰력

종합하면, 이러한 발견은 지능의 본질에 대한 새로운 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 뉴런과 생물학적 신경망의 행동을 연구하는 완전히 새로운 방법을 제시한다. "이것은 지능을 이해하는 완전히 새로운 방법이다"고 Kagan은 말했다. "이 실험은 정보를 처리하고 변화하는 역동적인 환경에 대한 인식을 개발하는 것, 살아 있고 지적인 것이 무엇을 의미하는지에 대한 근본적인 질문을 다룬다.“

궁극적으로 이 연구는 무엇이 우리를 인간으로 만드는가에 대한 근본적인 질문을 명확히 하는 데 도움이 될 수 있다. "목적이 있는 작업을 수행하기 위해 세포 배양을 훈련하는 이러한 능력은 기술, 건강 및 사회에 광범위한 영향을 미칠 수 있는 새로운 발견의 문을 열어준다"고 공동 저자인 호주 모나쉬 대학의 Adeel Razi가 말했다.
(Neuron, 2022; doi: 10.1016/j.neuron.2022.09.001)
출처: Cell Press, Cortical Labs

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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