뉴런 기록 분야의 비약적 발전을 통해 대규모 신경망 이해를 목표로 한다.
하버드 연구진은 4,096개의 마이크로홀 전극 어레이가 집적된 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 칩을 제작하여, 여러 신경 세포에 걸친 전기적 활동 기록을 가능하게 했습니다. Nature 저널에 게재된 바에 따르면, 이를 통해 연구팀은 쥐 뉴런 2,000개를 매핑하고 그들 사이의 70,000개 이상의 연결을 지도화했으며, 이 칩은 각 연결 간의 신호 강도를 측정하고 전송되는 신호 유형을 특성화하는 것이 가능했습니다.
이는 신경 연결의 모든 세부 사항을 뇌 내부에서 정확하게 매핑할 수 있게 하는, 신경 연구 분야의 획기적인 진전을 의미합니다. 현재 전자 현미경으로는 시냅스 연결 자체를 시각화할 수는 있지만, 그 연결을 가로지르는 전기적 신호를 측정하고 기록할 수는 없습니다. 다른 접근법인 패치 클램프 전극(patch-clamp electrode)은 연구자들이 가장 미약한 신경 신호까지도 정확하게 기록할 수 있게 하지만, 측정 범위가 소수의 세포에 국한되어 대규모 뉴런 네트워크를 연구하는 데는 효과에 한계가 있었습니다.
새로운 CMOS 칩은 연구자들이 비교적 많은 수의 뉴런 간 상호작용 양상을 연구할 수 있게 함으로써, 사고나 학습 같은 복잡한 정신 과정이 어떻게 발생하는지 이해하는 데 도움을 줍니다. 연구진은 각 마이크로홀 전극이 패치 클램프 전극과 유사하다고 설명하며, 이러한 어레이를 단일 칩에 4,096개 이상 집적함으로써 수천 개의 뉴런을 효과적으로 모니터링할 수 있었습니다.
[참고 자료]
- 연구진은 살아있는 쥐 뉴런을 훈련시켜 실시간 AI 연산을 수행하게 합니다.
- 상하이 과학자들이 인간 머리카락보다 얇은 섬유에 컴퓨터 칩을 제작했으나, 15.6톤의 압축 강도를 견딜 수 있습니다.
연구자 Jun Wang은 "마이크로홀 전극은 (이전에 연구팀의 기초가 되었던) 2020년 기술보다 뉴런 내부 구조에 더 효과적으로 접합될 뿐만 아니라, 제작 과정이 훨씬 간단합니다. 이러한 접근성은 저희 연구의 또 다른 중요한 강점입니다."라고 밝혔습니다.
연구팀은 4,096개의 마이크로홀을 사용하여 3,600개 이상의 쥐 뉴런을 성공적으로 모니터링했으며, 이는 약 90%의 성공률을 기록한 것입니다. 이를 통해 팀은 70,000개 이상의 연결을 기록하는 성과를 거두었으며, 이는 기존 기록인 300개보다 200배 이상 증가한 수치입니다. 이러한 모든 발전에도 불구하고, 이들은 평균 860억 개의 뉴런을 가진 인간의 뇌를 매핑하기에는 여전히 먼 거리입니다. 각 뉴런이 평균 35개의 연결을 가진다고 가정할 경우, 인간의 정신에는 최소 3,010,000,000개의 시냅스 연결이 존재하는 것으로 추정됩니다.
단 2,000개의 신경 세포만으로도 이미 방대한 양의 데이터입니다. Donhee Ham 연구원은 "대규모 병렬 세포 내 기록에 성공한 이후 가장 큰 과제 중 하나는 이 방대한 양의 데이터를 어떻게 분석하느냐였습니다."라며, "이후 저희는 이 데이터로부터 의미 있는 정보를 추출하는 방법을 찾아왔습니다."
이 기술은 장차 신경과학 연구의 패러다임을 바꿀 잠재력을 가지고 있으며, 인공지능(AI) 칩 개발의 혁신적인 기반을 제공할 것으로 기대를 모으고 있습니다.