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2025-04-21 (월)

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[퓨처 Eyes(80)] 뇌 속 '디지털 쌍둥이' 탄생…AI 모델, 뇌 연구 혁명 예고

눈을 감고 뇌 속을 탐험하는 상상을 해보자. 복잡하게 얽힌 신경망 속에서 수많은 정보들이 빛의 속도로 오간다. 인간은 오랫동안 이 미지의 세계를 이해하기 위해 노력해왔다. 그리고 마침내, 과학자들이 인공지능(AI)이라는 강력한 도구를 이용하여 뇌의 비밀을 풀 실마리를 찾아냈다. 마치 영화 속 한 장면처럼, 쥐의 뇌를 똑같이 복제한 가상 세계, 즉 '디지털 트윈'이 현실로 나타난 것이다. 최근 스탠퍼드 의과대학 연구진과 공동 연구팀은 AI 모델을 활용해 쥐 뇌의 시각 정보를 처리하는 특정 부위를 완벽하게 복제하는 데 성공하며 뇌 연구의 새로운 장을 열었다. 이 놀라운 디지털 쌍둥이는 실제 쥐들이 영화를 볼 때 뇌의 시각 피질에서 발생하는 방대한 양의 활동 데이터를 학습했다. 그 결과, 새로운 영상이나 사진이 주어졌을 때 수만 개에 달하는 뇌세포, 즉 뉴런들이 어떻게 반응할지 정확하게 예측할 수 있게 되었다. 이처럼 뇌의 작동 방식을 그대로 옮겨놓은 디지털 트윈은 과학자들이 뇌의 복잡한 내부 구조와 기능을 훨씬 쉽고 효율적으로 연구할 수 있도록 돕는다. 이번 연구의 핵심 인물이자 스탠퍼드 의과대학 안과 교수인 안드레아스 톨리아스 박사는 "만약 우리가 뇌의 모델을 아주 정확하게 만들 수 있다면, 이는 우리가 훨씬 더 많은 실험을 할 수 있다는 의미가 된다"고 설명했다. 그는 이어 "가장 유망한 결과를 보이는 실험들을 실제 뇌에서 다시 한번 확인해볼 수 있을 것"이라고 덧붙였다. 이 연구 결과는 지난 4월 9일, 세계적인 과학 학술지 '네이처'에 발표되어 큰 주목을 받았다. 이번 연구의 주 저자는 베일러 의과대학의 의대생인 에릭 왕 박사다. 디지털 트윈, 뇌 연구의 새로운 가능성을 열다 지금까지 개발된 시각 피질 AI 모델들은 학습 데이터에서 보았던 특정 종류의 자극에 대해서만 뇌의 반응을 흉내 낼 수 있었다. 하지만 이번에 새롭게 개발된 모델은 이전 모델들과는 확연히 다르다. 이 모델은 다양한 종류의 새로운 시각 정보에 대해서도 뇌가 어떻게 반응할지를 예측할 수 있다. 심지어 각 뉴런의 미세한 해부학적 특징까지도 알아낼 수 있다는 점이 놀랍다. 톨리아스 박사는 "결국에는 인간 뇌의 적어도 일부분이라도 디지털 트윈으로 만들 수 있을 것이라고 믿는다"며 이번 연구의 잠재력을 강조했다. 이 새로운 모델은 '파운데이션 모델'이라는 비교적 새로운 종류의 AI 모델에 속한다. 파운데이션 모델은 엄청난 양의 데이터를 학습한 후, 습득한 지식을 새로운 작업이나 새로운 형태의 데이터에 적용할 수 있는 능력을 갖춘 모델을 말한다. 연구자들은 이러한 능력을 '훈련 분포 외부로 일반화'라고 표현한다. 우리에게 친숙한 예로는 챗GPT를 들 수 있다. 챗GPT는 방대한 텍스트 데이터를 학습하여 새로운 텍스트를 이해하고 생성하는 능력을 보여준다. 톨리아스 박사는 "여러 면에서 지능의 핵심은 강력하게 일반화하는 능력이다"라며, "궁극적인 목표, 즉 우리가 도달해야 할 성배는 바로 학습한 데이터의 범위를 넘어서는 상황에서도 일반화할 수 있는 능력을 갖추는 것"이라고 강조했다. 쥐의 뇌를 학습한 AI 모델, 비결은 '액션 영화' 새로운 AI 모델을 훈련시키기 위해 연구팀은 먼저 실제 쥐들이 영화를 시청하는 동안 뇌 활동을 기록했다. 흥미롭게도 쥐들에게 보여준 영화는 사람들이 보는 일반적인 영화였다. 연구팀은 이 영화들이 쥐가 실제 자연 환경에서 볼 수 있는 장면들과 최대한 비슷할 것이라고 생각했다. 톨리아스 박사는 "쥐에게 현실적인 영화를 보여주는 것은 매우 어렵다. 왜냐하면 쥐를 위한 할리우드 영화를 만드는 사람은 아무도 없기 때문이다"라고 말했다. 하지만 액션 영화가 그나마 쥐들이 볼 만한 움직임을 많이 담고 있어 선택되었다. 쥐는 사람의 주변 시야와 비슷한 저해상도 시력을 가지고 있어, 세부적인 모습이나 색깔보다는 주로 움직임을 감지한다. 톨리아스 박사는 "쥐는 움직임을 좋아하고, 움직임은 쥐의 시각 시스템을 매우 강하게 활성화시킨다. 그래서 우리는 액션이 많은 영화를 쥐들에게 보여주었다"고 설명했다. 연구팀은 짧은 시간 동안 여러 번의 영화 시청 실험을 진행하며, 총 8마리의 쥐가 '매드맥스'와 같은 액션 영화의 짧은 장면들을 시청하는 동안 900분 이상에 걸쳐 뇌 활동을 기록했다. 이 과정에서 카메라를 이용하여 쥐들의 눈 움직임과 행동 변화를 꼼꼼하게 관찰했다. 연구팀은 이렇게 모아진 방대한 데이터를 이용하여 핵심 AI 모델을 훈련시켰고, 이 모델에 약간의 추가 학습을 시키는 방식으로 각 개별 쥐의 특성을 반영하는 맞춤형 '디지털 트윈'을 만들 수 있었다. 정확한 예측 넘어 뇌 구조까지 파악 이렇게 만들어진 디지털 트윈들은 실제 쥐들이 새로운 영상이나 정지 이미지를 보았을 때 나타내는 신경 활동을 매우 흡사하게 흉내 낼 수 있었다. 톨리아스 박사는 이처럼 디지털 트윈이 성공적으로 작동할 수 있었던 가장 큰 이유는 바로 방대한 양의 학습 데이터 덕분이라고 말했다. 그는 "그들은 엄청나게 많은 데이터 세트로 훈련되었기 때문에 예측 정확도가 매우 인상적이었다"고 강조했다. 비록 신경 활동 데이터만을 이용하여 훈련되었지만, 이 새로운 모델들은 다른 종류의 데이터에도 적용될 수 있는 뛰어난 능력을 보여주었다. 특히 한 마리의 특정 쥐의 디지털 트윈은 시각 피질에 있는 수천 개의 뉴런들의 해부학적 위치와 세포 종류는 물론, 이들 뉴런 사이의 연결망까지 정확하게 예측해냈다. 연구팀은 이러한 예측 결과가 실제 쥐의 시각 피질을 초고해상도 전자현미경으로 촬영한 이미지와 얼마나 일치하는지 비교하여 검증했다. 이 전자현미경 이미지는 쥐의 시각 피질 구조와 기능을 전례 없는 수준으로 자세하게 매핑하는 대규모 프로젝트의 일부였다. 'MICrONS' 프로젝트로 알려진 이 연구 결과 역시 '네이처'에 동시에 발표되었다. 뇌 연구의 '블랙박스'를 열고 미래를 보다 디지털 트윈은 실제 쥐의 수명을 훨씬 뛰어넘어 존재하며 작동할 수 있기 때문에, 과학자들은 사실상 동일한 동물에 대해 횟수 제한 없이 무한에 가까운 실험을 수행할 수 있다. 기존에는 몇 년이 걸렸을 실험을 단 몇 시간 만에 완료할 수 있으며, 수백만 건의 실험을 동시에 진행하는 것도 가능해져 뇌가 정보를 어떻게 처리하고 지능이 작동하는 원리에 대한 연구 속도를 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다. 톨리아스 박사는 "우리는 말하자면 뇌라는 '블랙박스'를 열어 개별 뉴런 또는 뉴런 집단 수준에서 뇌가 어떻게 정보를 부호화하고 함께 작동하는지 이해하려고 노력하고 있다"고 말했다. 실제로 이 새로운 모델들은 이미 새로운 통찰력을 제공하고 있다. '네이처'에 동시에 발표된 또 다른 관련 연구에서 연구자들은 디지털 트윈을 이용하여 시각 피질의 뉴런들이 서로 연결을 형성할 때 어떤 기준으로 다른 뉴런들을 선택하는지 밝혀냈다. 과학자들은 이전부터 비슷한 기능을 하는 뉴런들이 마치 사람들이 친구를 사귀는 것처럼 서로 연결되는 경향이 있다는 것을 알고 있었다. 디지털 트윈 연구를 통해 어떤 유사성이 가장 중요한 역할을 하는지가 새롭게 밝혀졌다. 뉴런들은 시각 공간의 같은 영역에 반응하는 뉴런들보다, 예를 들어 파란색과 같은 동일한 시각적 자극에 반응하는 뉴런들과 더 잘 연결되는 것을 선호한다는 사실이 밝혀진 것이다. 톨리아스 박사는 "이는 마치 사람이 어디에 사는지보다 무엇을 좋아하는지를 기준으로 친구를 선택하는 것과 같다"며, "우리는 뇌가 어떻게 조직되는지에 대한 훨씬 더 정확한 규칙을 배우게 되었다"고 말했다. 연구팀은 앞으로 자신들의 모델링 기술을 다른 뇌 영역과 더 나아가 인지 능력이 더 발달한 영장류를 포함한 다른 동물들에게까지 확장할 계획이다. 톨리아스 박사의 말처럼, 인간의 복잡한 생각과 감정, 그리고 행동을 만들어내는 미지의 영역, 뇌. 이번 연구는 그 심연을 향해 내딛은 용감한 발걸음이다. 작은 쥐의 뇌에서 시작된 디지털 트윈 기술이 언젠가 인간의 뇌를 완벽하게 이해하고, 나아가 알츠하이머병이나 파킨슨병과 같은 난치병으로 고통받는 수많은 사람들에게 희망의 빛을 선사하는 날이 오기를 기대해본다. AI가 그려낼 뇌 연구의 눈부신 미래는 이미 우리 눈앞에 성큼 다가와 있는지도 모른다. 이번 연구에는 괴팅겐 대학교와 앨런 뇌 과학 연구소의 연구진도 참여했다. 이번 연구는 인텔리전스 고급 연구 프로젝트 활동(Intelligence Advanced Research Projects Activity), 국립 과학 재단 뉴로넥스 보조금(National Science Foundation NeuroNex grant), 국립 정신 건강 연구소(National Institute of Mental Health), 국립 신경 질환 및 뇌졸중 연구소(National Institute of Neurological Disorders and Stroke, 보조금 번호 U19MH114830), 국립 눈 연구소(National Eye Institute, 보조금 번호 R01 EY026927 및 시각 연구 핵심 보조금 T32-EY-002520-37), 유럽 연구위원회(European Research Council) 및 독일 연구 재단(Deutsche Forschungsgemeinschaft)의 지원을 받았다. 스탠퍼드 메디슨에 대하여 스탠퍼드 메디슨은 스탠퍼드 의과대학과 성인 및 소아 의료 서비스 시스템으로 이루어진 통합 학술 의료 시스템이다. 이들은 협력 연구, 교육 및 환자 진료를 통해 생물의학의 모든 잠재력을 활용하고 있다. 더 자세한 정보는 med.stanford.edu에서 확인할 수 있다.
- 포커스온
2025-04-17 15:35:00
[신소재 신기술(168)] "쌀알만 한 뇌, 우주만큼 정밀하게 해부됐다"

쌀알만 한 생쥐 뇌 조직의 정밀 해부를 통해 신경세포 8만4000개와 5억 개의 시냅스, 5.4㎞에 달하는 신경망이 드러났다. 9년에 걸쳐 진행된 국제 공동 연구가 포유류 뇌를 가장 정밀하게 해부한 커넥톰을 완성 한 것이다. 인공지능(AI) 기술과 인간의 손길이 결합된 이번 프로젝트는 뇌과학의 디지털 전환을 본격화하는 전환점이 될 전망이다. 미국 프린스턴대학교, 스탠퍼드대학교, 텍사스 베일러 의과대학, 시애틀 앨런 뇌과학연구소 등 22개 연구기관 소속 150명 이상이 참여한 국제 공동연구팀은 생쥐 뇌의 1㎣도 채 되지 않는 부위에서 8만4000개의 신경세포와 5억 개 이상의 시냅스 연결, 5.4㎞ 길이의 신경망 구조를 밝혀냈다. 이는 현재까지 포유류 뇌를 대상으로 한 가장 정밀하고 방대한 커넥톰(connectome·신경연결지도)으로 기록됐다. 연구팀은 뇌 지도를 만들면서 수만 개의 개별적인 나무 모양의 뉴런을 디지털 방식으로 풀어내고, 각 뉴런의 고유한 가지 시스템을 추적한 다음, 이를 하나하나 재구성해 광대한 회로 네트워크를 만들었다. 이를 커넥톰이라고 부른다. 프린스턴 대학교는 이번 연구는 9년간 진행됐으며 22개 기관의 150명 이상의 연구자들이 이 프로젝트에 참여했다고 밝혔다. 이번 연구는 미국 베일러 의과대학에서 시작됐다. 과학자들은 특수 현미경을 사용해 생쥐가 러닝머신 위에서 10초 동안 베이스점프, 루지 등 다양한 익스트림 스포츠, 애니메이션, 영화 매트릭스, 매드맥스: 분노의 도로 등의 비디오 영상을 보는 동안 쥐의 시각 피질 1㎣(세제곱밀리미터) 부분의 뇌 활동을 기록하는 방식으로 진행됐다. 이후 앨런 연구소 연구팀은 생쥐 뇌를 2만8000개 층으로 절단하고, 인공지능(AI) 분석과 인간의 수작업 검수를 결합해 신경세포 간 연결망을 일일이 추적해 재구성했다. 연구팀이 진행한 코티컬 네트워크(Cortical Networks)의 머신 인텔리전스인 MICrONS 프로젝트는 지금까지 포유류 뇌의 가장 자세한 배선도를 구축했으며, 이 배선도는 온라인에서 무료로 이용할 수 있다. 이번 연구를 총괄한 데이비드 마코위츠 박사는 "인간 게놈 프로젝트에 비유되는 신경과학의 분수령"이라고 평가했다. 이어 프린스턴 대학교의 또 다른 연구팀은 인공지능과 머신러닝을 사용하여 세포와 연결망을 3D 입체로 재구성했다. 뇌 활동 기록과 함께, 이 입체에는 5억 2300만 개의 시냅스(20만 개의 세포를 연결하는 연결점)와 4km 길이의 축삭(다른 세포로 뻗어 나가는 가지)이 포함되어 있다. 스탠퍼드대학교 신경과학자 안드레아스 톨리아스 교수는 "이 연구는 구조와 기능을 동시에 기록한 최초의 사례"라며 "우리가 세계를 인식하고 감정을 느끼고 결정을 내리는 뇌의 생물학적 구조를 데이터로 포착한 것"이라고 강조했다. 연구팀은 이를 통해 단순한 신경 배치도뿐 아니라, 각 신경세포 간 상호작용과 정보 전달 방식까지 시각화해냈다. 과거 곤충의 뇌를 대상으로 한 연결지도는 존재했지만, 이번처럼 포유류 뇌의 고도 복잡성을 구현한 사례는 처음이다. 프린스턴대 신경과학자 세바스찬 승 교수는 "이번 연구를 통해 구현한 커넥톰(connectome)은 뇌과학의 디지털 전환을 여는 출발점"이라며 "이 기술은 신경 연결의 이상 패턴을 식별하고, 치매 등 뇌 질환의 원인을 규명하는 데 획기적인 전기를 마련할 것"이라고 말했다. 이 연구는 뇌의 새로운 특성, 유형, 조직 및 기능 원리, 세포 분류의 새로운 방식을 밝혀냈다. 특히 뇌 안의 새로운 억제 원리를 발견한 것은 이번 연구의 가장 큰 성과로 평가된다. 과학자들은 이전에 신경 활동을 억제하는 억제 세포를 다른 세포의 활동을 약화시키는 단순한 힘으로 생각했다. 반면 연구팀은 훨씬 더 정교한 수준의 의사소통을 발견했다. 억제 세포는 무작위로 행동하는 것이 아니라, 어떤 흥분 세포를 표적으로 삼을지 매우 선택적으로 결정하여 네트워크 전체에 걸친 조정 및 협력 시스템을 구축한다. 어떤 억제 세포는 함께 작용하여 여러 흥분 세포를 억제하는 반면, 어떤 억제 세포는 특정 유형의 세포만을 표적으로 삼아 더욱 정밀하게 작용한다. 뇌의 형태와 기능을 이해하고, 뉴런 간의 세부적인 연결을 전례 없는 규모로 분석할 수 있는 능력은 뇌와 지능 연구에 새로운 가능성을 열어준다. 또한 알츠하이머병, 파킨슨병, 자폐증, 조현병과 같이 신경 전달 장애를 수반하는 질환에도 영향을 미칠 수 있다. 공개된 이번 데이터는 인공지능 연구는 물론, 뇌 질환 조기 진단, 치료법 개발 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 특히 인간의 뇌가 정보 처리 속도나 효율성 측면에서 현존하는 어떤 AI보다도 앞선 이유를 설명하는 데 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다. 앨런 연구소 부연구원인 누노 다 코스타 박사는 "고장 난 라디오가 있는데 회로도를 가지고 있다면 수리하기가 더 수월할 것"이라고 이번 연구의 성과를 비유했다. 그는 "우리는 이 모래알(뇌 세포)에 대한 일종의 구글 지도 또는 청사진을 제시하고 있다. 앞으로 이를 활용하여 건강한 쥐의 뇌 배선과 질병 모델의 뇌 배선을 비교할 수 있을 것이라고 강조했다. 이 연구 결과는 과학저널 '네이처(Nature)'에 일련의 논문으로 발표됐다.
- IT/바이오
2025-04-14 09:53:00
[신소재 신기술(166)] 쌀알 크기 AI 칩, 소형 드론의 비행 범위와 성능 혁신 기대

인간의 뇌를 모방해 전력 사용량을 획기적으로 줄인 쌀알 크기의 소형 인공지능(AI) 칩이 개발됐다. 인공지능(AI) 기술은 방대한 연산 능력을 요구하며, 엄청난 양의 에너지를 필요로 한다. 반면 놀라울 정도로 강력한 컴퓨터인 인간의 뇌는 에너지를 거의 소모하지 않는다. 배터리 전원으로 작동하는 소형 드론은 에너지 제약으로 인해 AI 기능을 구현하는 데 어려움을 겪어왔다. 이러한 한계로 인해 소형 드론이 자율 비행, 물체 인식, 복잡한 의사 결정 등의 고도화된 기능을 수행하는 데 제약이 따랐다. 하지만 최근 미국 텍사스 A&M 대학교 연구팀이 이러한 난제를 해결할 혁신적인 접근 방식을 제시했다. 연구진은 인간 뇌의 작동 방식을 모방한 '뉴로모픽 컴퓨팅(Neuromorphic Computing)' 기술을 기반으로 쌀알 크기의 뉴런과 비슷한 나노 디바이스라는 초소형 AI 칩을 개발하고 있다고 밝혔다. 이 연구는 국제 학술지 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 게재됐다. 해당 연구에 대해서는 과학 기술 전문매체 인터레스팅 엔지니어링, 퓨처리스트 등 다수 외신이 전했다. 뉴로모픽 컴퓨팅은 생물학적 뉴런의 작동 방식을 모방하여 정보를 효율적으로 처리하는 시스템이다. 이 시스템은 필요할 때만 활성화되어 에너지를 소비하는 방식으로, 기존 AI 기술의 고질적인 문제였던 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있다. 연구팀은 얇은 고분자 필름을 이용하여 인공 뉴런을 개발하는 데 주력하고 있다. 이 필름은 생물학적 뉴런의 전기적 신호 전달 및 정보 처리 방식을 유사하게 구현할 수 있는 것으로 알려졌다. 또한, 연구진은 이러한 인공 시스템 내에서 학습 및 의사 결정과 같은 핵심 기능을 재현하는 데에도 힘쓰고 있다. 이는 뇌의 에너지 효율성을 모방하여 필요시에만 정보를 처리하고 전송하는 인공 뉴런을 설계함으로써 가능해진다. 이번 연구를 이끄는 텍사스 A&M 대학교 전기 및 컴퓨터 공학과 조교수인 이수인(Suin Yi) 박사는 “이번 프로젝트를 통해 무인 항공기는 기계적으로 유연하고 뇌의 뉴런처럼 스파이크 및 진동할 수 있는 전도성 고분자 재료 시스템 통합을 통해 더욱 지능화될 수 있을 것”이라고 말했다. 이 박사는 또한 “궁극적으로 인공 시냅스와 함께 이러한 유연한 인공 뉴런은 지능형 소형 드론을 구현할 수 있는 완전한 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 구성할 수 있을 것”이라고 덧붙였다. '슈퍼 튜링 AI'란 무엇인가? 이수인 박사는 인간의 뇌와 더 비슷하게 작동하는 '슈퍼 튜링 AI'를 개발한 연구진에 속해있다. 이 새로운 AI는 현재 시스템처럼 각 프로세스를 분리한 다음 엄청난 양의 데이터를 이전하는 대신 특정 프로세스를 통합한다. 시스템 이름의 튜링은 AI 선구자 앨런 튜링에서 따온 것이다. 오픈 AI의 챗GPT와 같은 대규모 언어모델(LLM)을 포함한 오늘날의 AI 시스템은 엄청난 컴퓨팅 능력이 필요하며, 막대한 양의 전기를 소비하는 광대한 데이터 센터에 보관된다. 이 바ㅣ사는 "이러한 데이터 센터는 기가와트 단위로 전력을 소비하는 반면우리의 뇌는 20와트를 소비한다고 설명했다. 막대한 에너지를 소비하는 데이터 선테는 현재의 컴퓨팅 방법으로 지속 가능하지 않고, 탄ㅁ소 발자국을 감안할 때 환경 문제도 야기한다. 이에 연구팀은 강력한 컴퓨터 기능을 하면서도 에너지는 거의 소비하지 않는 인간 뇌의 신경 과정에 주목했다. 뇌에서 학습과 기억의 기능은 분리되지 않고 통합되어 있다. 학습과 기억은 신호가 전달되는 "시냅스"라는 뉴런 간의 연결에 의존한다. 학습은 "시냅스 가소성"이라는 과정을 통해 시냅스 연결을 강화하거나 약화시켜 새로운 회로를 형성하고 기존 회로를 변경하여 정보를 저장하고 검색한다. 대조적으로, 현재의 컴퓨팅 시스템에서는 훈련(AI가 가르쳐지는 방식)과 메모리(데이터 저장)가 컴퓨터 하드웨어 내의 두 개의 별도 장소에서 이루어진다. 슈퍼 튜링 AI는 이러한 효율성 격차를 메우기 때문에 혁신적입니다. 따라서 컴퓨터는 하드웨어의 한 부분에서 다른 부분으로 엄청난 양의 데이터를 마이그레이션할 필요가 없다. 드론 성능 향상 및 다양한 분야 활용 기대 연구진의 계획대로 쌀알 크기의 차세대 AI 칩이 개발된다면, 소형 드론은 자체 배터리 용량 내에서 복잡한 의사 결정, 물체 식별, 자율 항법, 주변 환경 인식 등의 고난도 작업을 수행할 수 있게 된다. 이 박사는 "소형 드론은 엔진이 없어 에너지 예산이 매우 적다. 그렇기 때문에 배터리 구동 드론이 AI 없이 비행하는 시간과 동일하게 AI를 탑재하고도 비행할 수 있도록 디지털 컴퓨터를 뛰어넘는 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템과 같은 획기적인 기술이 필요한 것"이라고 강조했다. 그는 "챗GPT와 같은 현대 AI는 비용이 너무 많이 든다. 우리는 지속 가능한 AI를 만들 것이다"라면서 "슈퍼 튜링 AI는 AI가 구축되고 사용되는 방식을 재편해 AI가 계속 발전함에 따라 사람과 지구 모두에게 이로운 방식으로 발전할 수 있도록 보장할 수 있다"고 덧붙였다. 이번 연구는 소형 드론의 활용 가능성을 크게 확장할 것으로 기대된다. 에너지 효율적인 AI 기반 드론은 감시, 구조 작전, 환경 연구 등 다양한 분야에서 복잡한 임무를 수행하는 데 활용될 수 있을 전망이다.
- IT/바이오
2025-04-07 11:13:00
[퓨처 Eyes(77)] 지구 자전=무한 동력?⋯멈추지 않는 에너지의 비밀

지구가 팽이처럼 끊임없이 회전하는 힘, 그 속에 숨겨진 무한한 에너지를 인류가 사용할 수 있을까? 최근 미국의 과학자들이 지구 자기장과 특별한 물질의 '마법' 같은 만남을 통해 극미량이지만 전기를 생성하는 데 성공하며 오랫동안 잊혀졌던 아이디어를 다시금 뜨거운 논쟁의 중심으로 불러왔다. 과연 지구 자전 에너지는 미래를 밝힐 새로운 희망이 될 수 있을까? 미국 프린스턴 대학교의 크리스토퍼 치바를 비롯해 CIT의 제트추진연구소, 스펙트럴 센서 솔루션스(Spectral Sensor Solutions)의 물리학자 3명이 지구 자전 에너지로부터 전기를 생산할 수 있다는 혁신적인 아이디어를 제시하며 과학계의 이목을 집중시키고 있다고 사이언티픽 아메리칸, PHYS.org, 인터레스팅 엔지니어링 등 과학 전문 매체들이 최근 잇따라 보도했다. 이들은 지구 자기장과 특별한 장치의 상호작용을 통해 극미량이지만 실제로 전기가 생성되는 것을 실험적으로 확인하며 오랜 논쟁에 새로운 불씨를 지폈다. 과학 전문 학술지 '피지컬 리뷰 리서치'에 발표된 이 연구 결과는 지구라는 거대한 발전기의 잠재력을 엿볼 수 있게 해준다. 사실 지구의 회전 에너지를 활용하려는 시도는 과거에도 있었지만, 대부분 이론적인 가능성에 머물렀다. 기존의 과학적 이해로는 지구 자기장 내에서 움직이는 도체가 전기를 발생시키더라도 곧바로 전자의 재배열로 인해 전압이 상쇄되어 실제 에너지로 이어질 수 없다는 것이 일반적인 견해였다. 하지만 이번 연구팀은 이러한 기존 이론의 틀을 깨고 새로운 접근 방식을 제시했다. 상쇄되지 않는 미세한 전류, 실험으로 확인 연구팀은 전압 상쇄 현상을 막고 대신 미세한 전압을 포착하기 위해 특별한 장치를 고안했다. 핵심은 망간-아연 페라이트라는 특수한 물질로 만든 원통이었다. 이 물질은 약한 도체이면서 동시에 자기장을 특정한 방식으로 제어하는 역할을 한다. 팀은 이 원통(실린더)을 지구 자전 방향과 지구 자기장에 특정 각도(57도) 기울여 북쪽-남쪽 방향으로 배치했다. 이는 지구의 자전 운동과 지구 자기장에 수직이 되는 각도이다. 다음으로 전압을 측정하기 위해 연구팀은 실린더의 양쪽 끝에 전극을 배치한 다음 광전 효과를 방지하기 위해 불을 껐다. 놀랍게도 연구팀은 실린더 양 끝에서 18마이크로볼트라는 아주 작은 전압이 발생하는 것을 확인했다. 이는 단일 뉴런이 발화할 때 방출되는 전압의 극히 일부에 불과하지만, 다른 외부 요인으로는 설명하기 어려운 지구의 자전에서 나오는 에너지임을 강력하게 시사했다. 연구팀은 실린더 끝 사이의 온도 차이로 인해 발생할 수 있는 전압을 고려했다면서 각도를 변경하거나 제어 실린더를 사용했을때는 그러한 전압이 측정되지 않았다고 설명했다. 이러한 결과에 대해 연구를 이끈 크리스토퍼 치바는 "아이디어 자체는 직관에 어긋나지만, 실험은 매우 신중하게 진행됐다"며 "매우 설득력 있고 놀라운 결과"라고 평가했다. 하지만 모든 과학자가 그의 의견에 동의하는 것은 아니다. 암스테르담 자유대학교의 은퇴한 물리학자 링커 와인하르덴은 이 연구에 대해 여전히 회의적인 입장을 표하며, 자신의 실험에서는 동일한 효과를 발견하지 못했다고 밝혔다. 그는 "치바 등의 이론이 옳을 수 없다고 여전히 확신한다"고 단언하며, 추가적인 검증의 필요성을 강조했다. 지구 자기장과 특수 물질의 절묘한 조화 그렇다면 지구의 자전 에너지가 어떻게 미세한 전류로 바뀔 수 있었을까? 연구팀은 발전소의 원리와 유사하다고 설명했다. 발전소에서는 자기장 속에서 도체가 움직이면 전자가 이동해 전류가 발생한다. 지구도 마찬가지로 자전하면서 지구 자기장의 일부를 통과하는 도체가 있다면 전기가 발생할 수 있다. 하지만 지구 자기장은 비교적 균일하기 때문에 통상적인 도체에서는 전자가 스스로 배열되어 전기적인 힘이 상쇄된다. 그러나 연구팀이 사용한 망간-아연 페라이트 원통은 이러한 균일한 지구 자기장을 특정한 형태로 왜곡시키는 역할을 한다. 복잡한 계산을 통해 연구팀은 이 특수한 물질과 원통형 구조가 지구 자기장을 예상치 못한 형태로 만들어내고, 이로 인해 발생하는 자기적인 힘이 내부의 전기적인 힘으로 상쇄되지 않아 전류가 흐르게 된다는 것을 밝혀냈다. 이는 마치 좁은 길목을 통과하는 물줄기가 압력을 받아 더 강하게 흐르는 것과 비슷한 원리라고 할 수 있다. 넘어야 할 과제와 미래 에너지 혁명의 가능성 이번 연구는 지구 자전이라는 거대한 에너지원을 활용할 수 있는 새로운 가능성을 열었다는 점에서 매우 고무적이다. 하지만 아직 실용적인 에너지원으로 발전하기 위해서는 해결해야 할 과제가 많다. 우선 다른 연구팀의 독립적인 검증이 필수적이다. 링커 와인하르덴의 지적처럼, 다양한 환경과 조건에서 동일한 실험을 반복하여 일관된 결과를 얻어야만 이 현상이 실제로 지구 자전에 의한 것임을 확신할 수 있다. 만약 추가 검증을 통해 이 연구 결과가 확증된다면, 다음 단계는 장치의 규모를 확대하여 실제로 유용한 수준의 에너지를 생산하는 것이다. 크리스토퍼 치바 역시 "우리 방정식은 규모 확대가 어떻게 가능한지 보여주지만, 실제로 그것이 가능하다는 것을 입증하는 것은 완전히 다른 문제"라며 신중한 입장을 보였다. 현재까지 생성된 전압은 매우 미미한 수준이기 때문에, 실생활에 활용하기 위해서는 엄청난 규모의 장치 개발과 효율 증대 노력이 필요할 것이다. 더욱이 이 기술은 지구의 운동 에너지를 사용하는 것이기 때문에, 장기적으로 지구 자전 속도에 아주 미미한 영향을 줄 수 있다는 점도 고려해야 한다. 연구팀의 계산에 따르면, 만약 전 세계의 모든 전력을 이 방식으로 생산한다면 1세기 동안 지구의 자전 속도는 7밀리초 느려질 것으로 예상된다. 이는 달의 인력과 같은 자연 현상에 의한 변화와 비슷한 수준이지만, 지구 자전에 미치는 장기적인 영향에 대한 심층적인 연구가 필요할 것이다. 이번 연구는 아직 초기 단계이지만, 인류가 오랫동안 꿈꿔왔던 무한한 에너지원, 지구 자전 에너지 활용의 작은 씨앗을 뿌렸다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 마치 팽이가 멈추지 않고 돌아가듯, 지구의 자전은 영원히 계속될 것이다. 이 영원한 움직임 속에 숨겨진 에너지를 우리가 현실로 만들 수 있을지는 아직 미지수다. 하지만 이번 연구는 불가능해 보였던 꿈에 한 걸음 더 다가섰음을 보여준다. 앞으로 과학자들의 끊임없는 탐구와 혁신적인 기술 개발을 통해, 지구 자전 에너지가 정말로 우리의 미래를 밝혀줗 새로운 희망이 될 수 있을지 흥미진진한 여정을 함께 지켜보자
- 포커스온
2025-03-27 13:08:00
[신소재 신기술(151)] 척수 전기 자극 치료, 척수근위축증 환자 신경 기능 회복시켜

유전성 신경근육 질환인 척수근위축증(SMA)으로 인한 신경 기능 점진적 상실의 근본원인을 표적화하는 새로운 비약물, 최소 침습 치료법이 개발됐다. 미국 피츠버그 의과대학 연구팀이 개발한 감각 척수 신경에 전기 자극을 가하는 이 치료법은 척수 내 기능적으로 감자고 있든 운동 뉴런 신경을 점진적으로 재활성화시켜 SMA 성인 환자의 다리 근력과 보행 능력을 향상시킬 수 있다고 메디컬익스프레스가 전했다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처 메디신(Nature Medicine)'에 발표됐다. SMA 환자 3명을 대상으로 한 파일럿 임상 실험의 초기 결과에 따르면 한 달간의 규칙적인 신경 자극 세션 후 모든 참가자의 운동 뉴런 기능이 개선됐고, 피로가 감소했으며, 근력과 보행 능력이 향상된 것으로 나타났다. 중증의 심각도와 관계 없이 모든 참가자에게서 개선이 관찰됐다. 이 연구는 신경 기술을 사용해 신경 회로의 퇴화를 역전시키고 인간 신경퇴행성 질환에서 세포 기능을 회복시킬 수 있음을 보여주는 최초의 사례다. 피츠버그 대학 신경외과 부교수이자 공동 교신저자인 마르코 카포그로소(Marco Capogrosso) 박사는 "신경퇴행에 대응하려면 두 가지가 필요하다. 뉴런의 파괴를 막고 생존한 뉴런의 기능을 회복하는 것이다. 이번 연구에서 우리는 신경 세포 기능 장애의 근본 원인을 치료하는 접근법을 제시했으며, 기존 신경 보호 치료법을 신경 세포 기능 장애를 역전시키는 새로운 접근법으로 보완했다"고 말했다. SMA는 뇌와 척수에서 근육으로 신호를 전달하여 움직임을 조절하는 신경 세포인 운동 뉴런의 점진적으로 파괴와 기능 저하로 나타나는 유전적 신경퇴행성 질환이다. 이로인해 근육이 쇠퇴하게 되는 데 특히 다리, 엉덩이, 어깨, 때로는 호흡과 삼키기에 관련된 근육이 쇠퇴한다. 치료법은 아직 없다. 시간이 지남에 따라 운동 뉴런의 손실은 점진적인 근력 약화를 유발하며 걷기, 계단 오르기, 의자에서 일어서기 어려움 등 다양한 운동 장애를 초래한다. SMA에 대한 치료법은 없지만, 지난 10년 동안 여러 가지 유망한 신경 보호 치료법이 개발됐다. 여기에는 유전자 대체 요법과 약물이 포함되며, 둘 다 뉴런 세포 사멸을 예방하고 질병 진행을 늦추지만 역전시키지 않는 운동 뉴런 지원 단백질의 생성을 자극한다. 연구에 따르면 SMA의 운동 장애는 광범위한 운동 뉴런 파괴 이전에 나타나며, 척수 신경 회로의 기저 기능 장애가 질병 발병 및 증상 발달에 기여할 수 있음을 시사한다. 공동 저자인 컬럼비아 대학교의 조지 멘티스(George Mentis) 박사의 SMA 동물 모델에 대한 이전 연구에 따르면, 생존한 운동 뉴런은 피부와 근육에서 중추 신경계로 정보를 되돌려 보내는 섬유인 감각 신경으로부터 더 적은 자극 입력을 받는다. 따라서 신경 피드백의 이러한 결손을 보상하는 것은 신경계와 근육 간의 소통을 개선하고 근육 운동을 돕고 근육 소모와 싸울 수 있다. 피츠버그 연구진은 표적화된 경막외 전기 자극 치료법을 사용하여 운동 뉴런에 대한 감각 입력을 증폭시키고 퇴화된 신경 회로를 활성화함으로써 손실된 신경 세포 기능을 회복할 수 있다는 가설을 세웠다. 이러한 세포 변화는 결과적으로 운동 능력의 기능적 개선으로 이어질 수 있다. 피츠버그 연구는 SMA(3형 또는 4형 SMA)의 경미한 형태를 가진 성인 3명을 등록한 파일럿 임상 실험의 일환으로 수행됐다. 29일간의 연구 기간 동안 참가자들은 촉수 양쪽에 있는 허리 부위에 삽입된 두 개의 척수 자극(SCS) 전극을 이식 받았으며, 자극은 전적으로 감각 신경근으로 향하게 했다. 테스트 세션은 각각 4시간 동안 진행됐으며, 자극 장치가 제거될 때까지 총 19세션 동안 주 5회 실시됐다. 연구진은 자극이 의도한 대로 작동하고 척수 운동 뉴런을 활성화하는 지 확인한 후 근력 및 피로도, 보행 변화, 운동 범위 및 보행 거리, 운동 뉴런 기능 등을 측정하기 위한 다양한 검사를 수행했다. 공동 교신 저자인 엘비라 피론디니(Elvira Pirondini) 박사는 "SMA는 진행성 질환이기 때문에 환자들은 시간이 지남에 따라 상태가 좋아질 것이라고 기대하지 않는다. 그러나 우리 연구에서는 그렇지 않았다. 4주간의 치료 기간 동안 연구 참가자들은 여러 임상 실험 결과에서 개선을 보였으며 일상 생활 활동이 향상됐다. 예를 들어, 연구가 끝날 무렵 한 환자는 피로를 느끼지 않고 집에서 실험실까지 걸어갈 수 있었다고 보고했다"고 말했다. 모든 참가자는 '6분 걷기 검사' 점수(근육 지구력과 피로도를 측정하는 척도)가 최소 20m 이상 증가했는데, 이는 SCS의 도움 없이 유사한 운동 요법 3개월 동안 평균 1.4m 개선된 것과 SMA 특이적 신경 보호 약물 요법 15개월 후 중간값 20m 증가한 것과 비교된다. 이러한 기능적 이득은 전기적 충격을 생성하여 근육으로 전달하는 운동 뉴런의 능력을 향상시키는 등 개선된 신경 기능에 반영다. 공동 교신 저자인 로버트 프리드랜더(Robert Friedlander) 박사는 "이번 연구 결과는 적절한 세포 표적이 향후 연구 과정에서 확인되는 한, 이 신경 자극 접근법이 SMA 외에 ALS나 헌팅턴병과 같은 다른 신경퇴행성 질환을 치료하는 데 광범위하게 적용될 수 있음을 시사한다"고 말했다. 연구진은 "우리는 SMA 환자와 계속 협력하여 척수 전기 자극의 장기적인 효능과 안전성을 테스트하기 위한 또 다른 임상 시험을 시작하기를 희망한다"고 밝혔다. ◇참고 도서: 척수근위축증 환자의 경막외 척수 자극에 대한 최초의 인간 연구, 네이처 메디신 (2025). DOI: 10.1038/s41591-024-03484-8.
- 생활경제
2025-02-10 12:58:00
[퓨처 Eyes(57)] 세포도 웨어러블 입는 시대…"생체 전자장치의 혁명"

웨어러블 기술이 스마트워치나 피트니스 트래커를 넘어 세포 단위까지 진화하고 있다. MIT 연구진은 최근 개별 세포의 전기적, 대사 활동을 측정하고 조절할 수 있는 혁신적인 세포용 웨어러블 장치를 개발했다고 밝혔다. 빛에 반응하는 부드러운 고분자 '아조벤젠'으로 만들어진 이 장치는 빛의 세기와 방향에 따라 세포를 감싸거나 펼쳐지며 세포 활동을 제어한다. 마치 세포에 옷을 입히고, 빛으로 그 옷을 조종하여 세포의 활동을 제어하는 것과 같다. 세포용 웨어러블의 구조와 기술적 혁신 MIT 연구진이 개발한 세포용 웨어러블 장치는 부드러운 고분자인 '아조벤젠'으로 만들어져 있다. 아조벤젠은 빛을 받으면 말리는 성질을 가지고 있어, 이를 통해 세포의 다양한 부위를 감싸는 방식으로 작동한다. 연구팀은 빛의 세기와 방향을 조절함으로써 장치의 말림과 세포와의 접촉 방식을 정밀하게 제어할 수 있다. 이를 통해 이 장치는 세포를 손상시키지 않으면서도 꼭 맞게 감싸는 기술을 구현할 수 있었다. 또한, 최근의 합성 생물학적 연구와 세포 외부 반응 시스템(cell-free synthetic biology)을 기반으로 한 기술들은 웨어러블 장치의 가능성을 크게 확장하고 있다. 합성 생물학은 생체 시스템을 제어할 수 있는 전례 없는 가능성을 열어주었고, 다양한 생물학적 회로와 센서를 설계할 수 있는 기반을 마련했다. 특히, 세포 외부 반응 시스템은 세포를 직접 사용하지 않으면서도 유전자 회로를 활용해 원하는 반응을 이끌어낼 수 있다는 점에서 기존의 생체 웨어러블 기술의 한계를 극복할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 무선 작동과 생체 적합성 이 장치는 배터리가 필요 없으며, 몸 안에서 자유롭게 부유하는 형태로 존재한다. 외부에서 빛을 조사하여 비침습적으로 장치를 작동시킬 수 있어, 신체 내부 환경에 미치는 영향을 최소화할 수 있다. MIT 연구진은 수많은 실험을 통해 이 장치가 신경세포와 상호작용하면서도 세포에 손상을 주지 않고 생체 적합성을 유지할 수 있음을 입증했다. 또한, 이러한 웨어러블 시스템에는 유전자 회로를 포함한 다양한 센서를 사용해 세포 내부와 외부의 다양한 분자들을 탐지하고 반응할 수 있도록 설계할 수 있다. 이러한 점에서 이 기술은 매우 혁신적이다. 신경 질환 치료의 잠재성 세포용 웨어러블 장치는 특히 신경계 질환, 예를 들어 다발성 경화증(MS)과 같은 질환의 치료에서 그 가능성을 높이 평가받고 있다. 다발성 경화증 환자는 신경을 보호하는 '미엘린'이라는 층이 손상되는데, MIT 연구진의 장치는 이 손상된 축삭을 감싸 합성 미엘린의 역할을 수행할 수 있다. 연구팀의 주저자인 데블리나 사카르는 "이 기술은 세포 수준에서 작동하는 합성 미엘린을 통해 다발성 경화증 환자들의 신경 기능을 회복시키는 데 도움을 줄 수 있다"고 말했다. 이 장치가 단순한 실험적 기술을 넘어, 신경계 질환을 치료할 수 있는 실질적 도구가 될 가능성을 가지고 있는 것이다. 생체 전자장치의 미래와 윤리적 과제 MIT 연구팀은 세포용 웨어러블 장치가 합성 미엘린 역할뿐만 아니라 다양한 광전기 물질과 결합해 세포를 자극하는 데 사용할 수 있음을 보여주었다. 예를 들어, 장치 위에 원자 수준의 얇은 재료를 덮어 패턴화하면, 여전히 말려서 미세 튜브 형태를 만들 수 있다. 이는 장치가 다양한 신호(전기적, 광학적, 열적 신호 등)를 세포에 전달할 수 있는 플랫폼으로서 사용될 가능성을 열어주고 있다. 이러한 기술은 신경과학 연구뿐만 아니라 인공지능 기술과의 결합을 통해 인간의 뇌 연구와 질병 치료의 새로운 가능성을 제시할 수 있다. 그러나 이러한 기술이 인체에 도입되는 만큼 윤리적 고민 역시 동반된다. 비록 비침습적 방식이라 할지라도 인체 내부에 장치를 설치하는 것에 대한 프라이버시 문제와 인체에 미칠 장기적 영향에 대한 우려가 존재한다. 펜실베이니아 대학교의 플라비아 비탈레 교수는 "이 기술은 세포 수준에서 신경세포와 상호작용하는 전례 없는 해상도를 보여준다. 하지만 그 사용에는 윤리적 고려가 필요하다"고 말했다. 기술의 발전과 함께 그에 따른 책임과 윤리적 기준을 마련하는 것이 중요하다. 미래의 신경과학과 의학의 패러다임 변화 세포 자체가 장치를 착용하는 시대가 도래하고 있다. 이러한 세포용 웨어러블 장치는 신경계 질환 치료의 새로운 장을 열어줄 뿐만 아니라, 생체 전자장치가 인체와 어떻게 상호작용하고 우리의 건강을 관리할 수 있을지를 새롭게 정의할 것이다. 이 혁신적인 기술은 단순한 상상이 아니라, 이제 곧 우리의 현실로 다가오고 있다. 우리는 이 혁신이 인체와 어떻게 공존할 수 있을지를 탐구하고, 그에 따른 윤리적 과제를 함께 고민해야 할 것이다. 데블리나 사카르 교수는 "우리가 보여준 이 기술의 가능성은 앞으로의 연구와 응용에 있어 엄청난 잠재력을 가지고 있다"고 말했다. 지금 우리는 미래 과학의 첫걸음을 내딛고 있는 것이다.
- 포커스온
2024-11-07 13:03:00
[신소재 신기술(111)] 휴스턴 공대 개발 웨어러블 센서, 눈 움직임으로 뇌손상 진단

휴스턴 대학교(HU) 공학팀이 눈의 움직임을 검사해 뇌 질환이나 뇌 손상을 진단하는 웨어러블 센서를 개발했다고 메디컬익스프레스가 전했다. 많은 뇌 질환은 종종 다른 증상이 발현되기 전에 눈 이상으로 나타난다. 눈은 시인들의 표현과 같이 단순히 '영혼을 들여다보는 창'만은 아니다. 인간의 생활을 위해 가장 필요하고 소중한 눈은 또한 뇌의 연장선이며, 뇌 관련 질환의 조기 경고 신호와 그 원인에 대한 정보를 제공할 수 있다. 눈을 검사하면 뇌에 가해지는 신체적, 정신적 충격의 진행과 증상을 추적하는 데 도움이 될 수도 있다. 연구진은 현재의 시선 추적 시스템에는 결함이 있으며, 충분한 양의 데이터를 제공하지 못한다고 지적했다. 게다가 얼굴과 목에 여러 개의 전극이 부착돼 부피가 크고 비싸며 출력이 약하다. 기계공학과 류재현 교수의 UH 연구실에서 박사 후(포스트 닥터) 연구원인 김남인 박사의 도움을 받아 개발한 이 새로운 센서는 비침습적이고 편안하게 착용할 수 있으며 안전하다. 따라서 휴대용 디스플레이 및 컴퓨팅 장치와 결합하면 안구 움직임을 쉽게 지속적으로 측정하고 관찰할 수 있다. 개발된 센서는 특히 매끈하고 유연하며, 구부러지거나 움직일 때 전기를 생성하는 매우 얇은 수정과 같은 필름으로 만들어졌다. 이는 '압전 효과'라는 현상이며, 특정 물질이 적용된 기계적 응력에 반응하여 전하를 생성할 수 있다. 관자놀이 부위에 있는 상단, 중간 및 하단 센서 또는 변환기의 출력 전압은 식별 가능한 전압 패턴을 생성한다. 류 교수는 연구 결과가 실린 국제 학술지 '어드밴스드 헬스케어 머티리얼스(Advanced Healthcare Materials)'에서 "활력 징후 및 생체 의학 매개변수를 관찰하기 위한 피부 부착형 웨어러블 센서는 개인 건강관리 및 휴대용 진단 시스템에서 매우 중요한 구성 요소"라고 보고했다. 이어 "그 중에서도 박막 압전 센서는 저렴한 비용으로 쉽게 제작할 수 있고, 다양한 크기, 경량, 뛰어난 기계적 유연성과 안정성, 빠른 반응 속도, 높은 감도, 높은 신호 대 잡음비, 우수한 장기 안정성과 내구성이라는 고유한 장점을 제공한다"라고 강조했다. 류 교수는 "새로운 센서는 착용하기 쉽고 뇌-눈 관계 연구에 사용해 뇌의 기능적 무결성을 평가할 수 있다"라고 부연했다. 눈 깜박임 패턴에 대한 안과적 평가는 뇌졸중, 다발성 경화증, 파킨슨병 및 알츠하이머병과 같은 질환의 조기 진단에 사용되었다. 또한 안구와 윗 눈꺼풀 조절은 뇌 기능에 영향을 받기 때문에 눈의 움직임은 다양한 뇌 질환과 밀접하게 연관되어 있다. 이전 연구에서는 주의력 결핍 과잉 행동 장애가 있는 어린이의 비정상적인 눈 깜박임 속도와 깜박임 조절을 측정했으며, 자발적인 깜박임은 뇌의 도파민 시스템의 무결성을 측정하는 척도였다. 눈 및 눈의 근육과 관련된 뇌의 운동 뉴런도 자폐증과 관련이 있다. 류 교수는 "우리가 새로 개발한 '유연한 압전 눈 움직임 센서 어레이(F-PEMSA: flexible piezoelectric eye movement sensor array)'가 ADHD(주의력결핍 과다행동장애), 자폐증, 알츠하이머병, 파킨슨병과 같은 뇌 질환 상태뿐만 아니라 뇌진탕 후 증후군 및 외상 후 스트레스 장애와 같은 외상성 뇌 손상의 후유증에 관한 많은 임상 연구에 사용될 수 있다고 생각한다. 잠재적으로 조기에 정확한 진단과 개인화된 치료법의 개발 방향을 제시할 수 있다고 믿는다"고 말했다.
- IT/바이오
2024-09-20 14:25:00
[신소재 신기술(101)] 버섯 곰팡이 전기 자극으로 바이오하이브리드 로봇 제어

코넬 대학교 연구진이 곰팡이 균사체를 배양해 여기서 나오는 전기 신호를 활용, 일반 로봇보다 환경에 더 잘 반응하는 '바이오 하이브리드' 로봇 제어 방법을 새로 발견했다고 테크익스플로러가 전했다. 로봇 제조에 시간과 기술, 재료 정도가 필요했다면, 이제는 곰팡이까지 더해질 수 있게 됐다. 로봇 제어 기술 개발은 코넬 대학교 롭 셰퍼드 교수가 이끄는 유기로봇연구실의 아난드 미슈라 박사팀이 주도했으며, 「곰팡이 균사의 전기 생리학적 측정을 통해 매개되는 로봇의 감각 운동 제어」라는 제목의 논문은 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)'에 발표했다. 셰퍼드 교수는 "이 연구는 곰팡이가 내는 생체 전기를 사용해 로봇에 환경 감지 및 명령 신호를 제공, 자율성 수준을 향상시키는 첫 번째 성과"라며 "로봇의 전자 장치에 균사체를 배양함으로써, 바이오 하이브리드 로봇이 환경을 감지하고 이에 대응할 수 있도록 할 수 있었다. 이번에는 입력원으로 빛을 사용했지만, 미래에는 화학 물질이 될 것이다. 개발할 미래 로봇은 작물에서 토양의 화학적 성질을 감지하고 비료를 뿌릴 시기를 결정할 수 있을 것"이라고 말했다. 엔지니어들은 로봇을 설계하면서 동물계에서 많은 단서를 얻었다. 동물이 움직이는 방식을 모방하고, 환경을 감지하고, 심지어 땀을 통해 내부 온도를 조절하는 기계를 만들었다. 일부 로봇은 근육 조직 세포와 같은 살아있는 조직을 통합했지만, 이러한 복잡한 생물학적 로봇 시스템은 기능적으로 유지하기 어렵다. 로봇의 성능과 기능을 살리는 작업은 쉽지 않다. 균사체는 버섯의 지하 식물체이며, 여러 가지 장점이 있다. 혹독한 환경에서도 자랄 수 있다. 또 화학적 및 생물학적 신호를 감지하고 여러 입력에 반응할 수 있다. 미슈라 박사는 "기존의 수동 센서는 한 가지 목적으로만 사용되지만 살아있는 시스템은 촉각에 반응하고, 빛에 반응하고, 열에 반응하고, 신호와 같은 알려지지 않은 것에도 반응한다"면서 "미래 로봇 제작은 예상치 못한 환경에서 어떻게 작동할 수 있을까에 초점이 맞추어질 것이다. 우리 연구팀이 찾아낸 ‘살아있는 시스템’을 활용하면 알려지지 않은 입력이 들어와도 로봇이 그에 반응할 것"이라고 밝혔다. 그러나 버섯과 로봇의 통합에는 기술에 대한 지식 이상이 필요하다. 기계나 전자공학뿐 아니라 균류학, 신경 생물학, 신호 처리에 대한 배경 지식 등도 요구된다. 이 모든 분야가 모여야 시스템을 구축할 수 있다. 그래서 연구팀은 신경 생물학 및 행동 분야(브루스 존슨 연구원)의 자문을 구해 균사체 막의 뉴런과 같은 이온 채널로 전달되는 전기 신호를 기록하는 방법을 배웠다. 농업 및 생명 과학 대학의 통합 식물 과학부(캐시 호지 박사)는 균류에 전극을 붙일 때 우려되는 오염을 방지하기 위해 깨끗한 균사체 배양 방법을 전달했다. 미슈라가 개발한 시스템은 △ 진동과 전자기 간섭을 차단하고 균사체의 전기 생리학적 활동을 실시간으로 정확하게 기록하고 처리하는 전기 인터페이스 △ 일종의 신경 회로인 중앙 패턴 생성기에서 영감을 받은 컨트롤러로 구성되어 있다. 기본적으로 이 시스템은 원시 전기 신호를 읽고, 이를 처리하고, 균사체의 리드미컬한 스파이크를 식별한 다음, 해당 정보를 디지털 제어 신호로 변환해 로봇의 액추에이터로 전송한다. 이를 바탕으로 연구팀은 거미 모양의 소프트 로봇과 바퀴 달린 로봇 등 두 가지 바이오 하이브리드 로봇을 제작했다. 개발된 로봇은 세 가지 실험을 완료했다. 첫 번째 실험에서 로봇은 균사체 신호에서 자연스럽고 연속적으로 급증하는 스파이크에 대한 응답으로 걷고 구르는 동작을 시연했다. 그런 다음 연구팀은 자외선으로 로봇을 자극하여 보행 패턴을 변화시켜 균사체가 환경에 반응하는 능력을 입증했다. 세 번째로 연구팀은 균사체의 원래 신호를 완전히 무시할 수 있었다. 이는 로봇 공학과 균류학 분야를 훨씬 넘어섬을 의미한다고 연구팀은 전했다. 신호를 받아들이면 무슨 일이 일어나고 있는지도 이해할 수 있다는 점에서, 이는 로봇을 제어하는 것만이 아니라 생명체와 진정한 연결을 만드는 것이라는 지적이다. 사람이 시각화할 수 없는 신호를 로봇은 시각화하고 있다는 것이다. 한편, 이 연구에는 이탈리아 피렌체 대학교의 김재석 연구원도 참여했다.
- IT/바이오
2024-08-30 14:09:00
인간 뇌 1㎣, 150억개 연결까지⋯초고해상도 뇌지도 나왔다

과학자들이 고해상도 전자현미경을 사용해 인간 뇌조직을 이미지화해 나노 스케일의 3D 지도를 제작했다. 미국 하버드대학교와 구글 연구팀이 인간 뇌 1㎣(1입방밀리미터)의 세포 연결까지 보여주는 초고해상도 뇌지도를 제작했다고 하버드 매거진과 사이테크 데일리 등 다수 외신이 전했다. 이 지도는 뇌의 복잡성을 보여주고, 뇌 기능 이해를 위한 새로운 가능성을 제시한다. 미국 국립보건원(NIH)이 자금을 지원한 이 연구 결과는 '사이언스' 저널에 게재됐다. 하버드 대학교의 제프 리히트만 박사와 구글 리서치의 비렌 자인 박사가 이끄는 연구팀은 전자 현미경(EM)을 사용해 입방밀리미터(1㎣) 크기의 인간 뇌 조직 조각을 고해상도로 이미지화했다. 이 뇌 조직은 뇌전증 수술의 일환으로 환자의 대뇌 피질에서 제거한 것이다. 하버드 매거진에 따르면 리피트만 박사의 연구팀은 10년 동안 대뇌 피질 1㎣를 분석해 인간 뇌의 연결에 대한 최초의 정밀 지도를 제작했다. 뇌 조직 분석 결과 매우 아름답고 목적을 알 수 없는 수 많은 복잡한 구조가 밝혀졌다. 신경 섬유가 다른 세포와 연결되는 경로에 정착하기 전에 마치 제자리에서 맴돌고 있는 것처럼 소용돌이 모양으로 성장하는 모습, 정반대 방향이 두 개의 수용체(수상 돌기)만을 가리키고 연결되지 않은 백질 기저층의 신경 섬유와 연결된 새로운 종류의 뉴런, 신경 섬유가 단일 세포에 50개 이상 연결되는 드문 사례인 다중 시냅스 연결 등이 그것이다. 이들의 관찰은 뇌가 어떻게 연결 되었는지에 대한 가정을 뒤집었다. 리히트만은 "많은 사람들이 과학이 문제를 해결하고, 답을 찾고, 치료할 수 있기를 기대하지만 이 경우에는 단순히 자연을 설명하는 것만으로도 뇌가 '우리가 생각하는 것보다 더 복잡하다'는 것이 밝혀졌다"고 말했다. 연구팀은 먼저 조직을 다이아몬드 칼을 사용해 인간 머리카락의 1천분의 1보다 얇은 5000개 이상의 슬라이스 또는 섹션으로 자른 다음 각 섹션을 EM으로 이미지화했다. 그 결과 약 1.4페타바이트, 즉 1400테라바이트의 데이터가 생성됐다. 팀은 뇌 조직을 5000개 이상의 얇은 조각으로 나누어 각 조각을 전자현미경으로 촬영했다. 이렇게 얻은 1.4페타바이트(PB, 1400테라바이트)의 데이터를 기반으로 3차원 뇌지도를 만들었다. 뇌지도는 5만 7000개 이상의 세포와 약 1억 5000만 개의 시냅스(신경세포 연결 부위)를 포함하며, 이전에는 볼 수 없었던 뇌 구조 세부 정보를 제공한다. 바렌 제인이 이끄는 구굴의 연구팀은 각 슬라이스 내의 객체를 감지하고 일르 연결해 3차원 공간을 렌더링하는 새로운 신경망 기술을 개발했다. 리히트만은 '플러드 필링 신경망' 기술을 사용해 세포, 신경 섬유 및 혈관을 색칠했으며 "기본적으로 여러 섹션에 걸쳐 이러한 객체에 페인트를 붓는 격"이라고 설명했다. 가장 흔한 신경교세포는 신경교세포에 구조적인 지원과 전기적 절연을 제공하는 과립세포였다. 1㎣ 샘플에는 약 230mm의 혈관 세포도 포함되어 있었다. 특히, 연구팀은 재구성을 통해 뇌의 가장 깊은 층에 있는 삼각형 세포들이 서로 마주 보는 두 가지 방향으로 배열되어 있음을 발견했다. 이러한 배열의 의미는 아직 밝혀지지 않았지만, 뇌 기능 이해에 중요한 단서가 될 수 있다. 이번 연구 결과는 뇌 연결체학(뇌 세포 간 연결을 종합적으로 분석하는 학문)의 중요성을 보여주고, 뇌 기능 연구에 새로운 자원을 제공한다. 연구팀은 데이터셋과 분석 도구를 공개하여 다른 연구자들도 이를 활용할 수 있도록 했다. 미국 국립보건원(NIH) BRAIN Initiative 책임자인 존 응아이 박사는 "이번 연구는 신경과학자, 컴퓨터 과학자, 엔지니어 간의 협력이 뇌 기능 이해를 위한 완전한 지도 구축에 얼마나 중요한지를 보여준다"고 말했다.
- IT/바이오
2024-08-16 10:39:00
[신소재 신기술(70)] 칩 크기의 초소형 '티타늄 사파이어 레이저' 개발

미국 스탠퍼드 대학교 연구팀이 칩 크기의 초소형 티타늄 사파이어(Ti:sapphire)레이저 개발에 성공했다. 이 레이저는 기존 티타늄 이온 도핑 사파이어 크리스탈로 만든 티타늄 사파이어 또는 Ti:사파이어 레이저보다 4배 작고 비용은 3배 더 저렴하며 효율성도 크게 향상되었다고 IFL이 3일(현지시간) 전했다. 기존 티타늄 사파이어 레이저는 높은 가격과 큰 부피, 그리고 구동을 위한 여러 대의 고출력 레이저가 필요하다는 단점이 있었따. 스탠퍼드리포트는 이번에 새로 개발 티타늄-사파이어 레이저에 대해 "'타의 추종을 불허하는 성능'을 가진 것으로 간주된다"고 전했다. 이어 "레이저는 최첨단 양자 광학, 분광학, 신경 과학을 포함한 많은 뷴야에서 없어서는 안 된다. 하지만 그 성능은 엄청난 대가를 치른다"면서 "Ti:sapphire는 부피가 입방 피트9볼링 공 4개 정도의 공간을 차지함)에 달할 정도로 크고 비용도 수십만 달러에 이른다. 또한 3만 달러 이상에 달하는 다른 고출력 레이저가 있어야 작동한다"며 기존 레이저의 단점을 지적했다. 스탠퍼드대 전기공학과 교수이자 칩 크기의 Ti:사파이어 레이저 논문의 시니어 저자인 옐레나 부치코비치(Jelena Vučković)는 "이것은 기존 모델에서 완전히 벗어난 것"리하고 말했다. 그는 "크고 값비싼 레이저 한 대가 아닌, 하나의 칩에 수백대의 레이저를 탑재할 수 있는 시대가 곧 올 것"이라고 전망했다. 연구팀은 티타늄 사파이어를 이산화규소(sio2) 절연체 위에 장착하고 수백 나노미터 두께의 티타늄 사파이어 층을 정밀하게 연마하고 에칭하여 소용돌이 모양의 융기, 즉 도파관을 형성했다. 이 도파관을 통과하는 빛은 소형 히터를 사용해 가열되며 사용자가 필요에 따라 레이저 파장을 조정할 수 있도록 한다. 즉, 연구팀은 마이크로스케일 히터를 통해 방출되는 빛의 파장을 변경해 빛의 색상을 700~1000나노미터(적색에서 적외선까지) 사이에서 원하는 대로 조절할 수 있었다. 또한 레이저 크기 축소는 강도를 높여 효율성을 향상시키는 효과도 있었다. 이 소형 레이저는 양자 광학, 분광학, 신경 과학 등 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 넓은 파장 범위에서 에너지를 방출하는 탁월한 이득 대역폭과 1000조 분의 1초마다 빛 펄스를 방출하는 초고속 특성을 가지고 있다. 이는 기존 레이저보다 약 14배 빠른 속도다. 부치코비치 교수와 공동 제1저자인 조슈아 양과 연구팀은 이 새로운 레이저가 다양한 분양에 미칠 영향에 대해 큰 기대를 걸고 있다. 양자 물리학 분야에서는 이 저렴하고 실용적인 레이저가 최첨단 양자 컴퓨터의 소형화를 획기적으로 앞당길 수 있을 것으로 예상된다. 신경 과학 분야에서는 광섬유를 통해 뇌 속 뉴런을 빛으로 조절하는 광유전적 연구에 즉각적인 활용이 가능할 것으로 보인다. 소형 레이저를 활용하면 더욱 작은 프로브(probe, 뇌 활동을 측정하고 자극하는 데 사용되는 도구)를 개발해 새로운 실험 방법을 모색할 수 있다. 안과 분야에서는 노밸상 수상 기술은 '처프 펄스 증폭(chirped pulse amplification)'을 이용한 레이저 수술에 새로운 방식으로 활용되거나, 망막 건강 평가에 사용되는 광 간섭 단층 촬영 기술을 더 저렴하고 작게 만들수 있을 것으로 기대된다. 칩 형태의 레이저는 기볍고 휴대성이 뛰어나며 저렴하고 효율적이다. 그리고 대량 생산이 가능하다. 양 연구원은 "우리는 단일 4인치 웨이퍼에 수 전개의 레이저를 놓을 수 있었다"며 그렇게 되면 레이저당 비용이 거의 0이 되기 시작한다. 이는 매우 흥미로운 일이다"고 말했다. 연구팀은 이번 연구 결과가 티타늄 사파이어 레이저의 대중화에 기여할 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 결과는 학술지 '네이처(Nature)'에 게재됐다.
- 포커스온
2024-07-04 15:57:00
[기후의 역습(17)] 기후 변화, 어린이 뇌 손상에 영향…가난한 어린이 위험 더 커

기후 변화의 가장 불평등한 측면은 지구를 달구는 탄소 배출에 가장 책임이 없는 사람들, 특히 빈곤층에게 불균형적으로 영향을 미친다는 것이다. 전문가들은 지구 온난화로 인해 노동 인구의 70%가 건강 위험에 노출되고 궁극적으로 약 10억 명이 사망할 수 있다고 예측한다. 이들 중 대부분은 빈곤층이다. 영향을 받는 것은 환경뿐만 아니라 사람들의 신체 자체라는 게 심각한 문제다. '네이처 기후변화(Nature Climate Change)' 저널에 실린 최신 연구는 기후 변화가 빈곤한 개인에게 불균형적으로 영향을 미치는 대표적인 사례로, 태어나기도 전인 태아의 뇌까지 변화시킨다는 사실을 보여준다. 네덜란드, 미국, 스페인 전문가로 구성된 연구팀은 '네덜란드 R세대 출생 집단(Netherlands Generation R birth cohort)'로 알려진 환자 그룹에서 2681명의 어린이를 12년 이상 동안 관찰했다. ‘네덜란드 R세대 출생 집단’은 로테르담의 다민족 도시 인구를 대상으로 태아 생활에서 태어나 자라기까지의 예비 인구 집단에 대한 연구다. R세대 연구 결과는 임산부와 어린이의 건강 및 의료를 최적화하는 전략 개발에 활용된다. 이 연구는 처음에는 9896명의 임산부가 참여했지만 수년에 걸쳐 다수가 제외됐다. 연구는 특히 태아기에 겪는 극심한 더위와 추위가 신경 발달에 영향을 미치는지 여부를 모니터링했다. 참가자 중 절반 이상이 네덜란드 출신이었으며, 10%는 수리남 또는 네덜란드령 안틸레스 출신이고 나머지는 튀르키예, 모로코 및 기타 다양한 국가 출신이었다. 참가자 75% 이상이 자녀가 9~12세가 되기 전에 실험 그룹에서 이탈했다. 남은 사람들은 대부분 가구 소득이 월 2200유로를 초과하고 이전 자녀가 없는, 높은 교육 수준의 네덜란드 부모 출신이었다. 연구진은 이런 인구 통계학적 동질성이 연구 결과를 다소 왜곡할 수 있다고 밝혔지만, 결과는 대단히 고무적이라는 평가다. 수년간 자기공명영상(MRI)으로 환자를 검사한 결과, 더위와 추위에 노출된 임신 초기 태아와 영유아는 청소년기 이전에 뇌의 미엘린(뉴런을 둘러싼 절연체)과 백질에 구조적 문제가 생길 가능성이 더 높았다. 또 이들의 뇌는 평균 확산도(MD), 즉 뇌 조직에서 물 분자가 쉽게 이동하는 정도가 감소했다. 그리고 이렇게 고통받는 아이들은 불균형적으로 저소득층 출신이었다. 연구팀은 "연구 결과는 두뇌 발달이 왕성한 유년기에 추위와 열에 노출되면 백질 미세 구조에 지속적인 영향을 미칠 수 있으며, 이는 현재 심각하게 진행 중인 기후 변화의 맥락에서 고려해야 할 큰 위험임을 시사한다"고 강조했다. 팀은 보고서에서 "임신, 유아기 및 9~12세 어린이에게서 추위와 열 노출 사이의 연관성을 발견했다. 예상되는 지구 온도 상승과 극심한 한파의 증가 추세를 고려할 때, 현재 진행 중인 기후 변화 비상 상황에서 이러한 영향은 더욱 악화될 수 있다"라고 썼다. 태아기나 초기 유아기 동안 극심한 더위나 추위에 노출된 어린이들이 건강한 백질, 즉 지적 활동, 신체 균형 유지 등을 담당하는 뇌 부분이 발달하지 못한다는 것을 의미한다는 지적이다. 이번 연구는 온도와 관련된 뇌의 물리적 구조를 조사한 최초의 분석이기 때문에 특히 중요하다는 평가다. 지금까지는 온도에 따라 어린이의 행동이 어떻게 변하는지를 조사했을 뿐, 행동 관찰을 뇌의 물리적 구조에 직접적으로 연관시킨 연구는 없었다. 연구팀은 가속하는 위기를 완화할 수 있는 방법을 시급히 개발해야할 것이라고 강조했다.
- IT/바이오
2024-06-24 15:16:00
[퓨처 Eyes(38)] 10년 안에 로봇으로 머리 이식 가능할까?

인공지능(AI) 기술의 급격한 발전은 의료 분야에도 혁신적인 변화를 가져오고 있다. 특히, 벤처기업 브레인브리지(BrainBridge)가 발표한 인공지능(AI) 로봇을 이용한 머리 이식 시스템은 10년 안에 머리 이식(Head Transplant)이 현실화될 수 있다는 가능성을 제시하며 전 세계적인 주목을 받고 있다. 신경과학 전문매체 뉴로사이언스뉴스와 뉴아틀라스 등 다수 외신에 따르면 브레인브리지는 최근 최첨단 로봇 외과의사가 머리 이식 수술을 주도적으로 수행하는 기술 개발을 발표했다. 브레인브리지의 혁신적인 머리 이식 시스템 1997년 개봉한 오우삼 감독의 액션 영화 '페이스 오프(Face/Off)'의 숀 아처(존 트라볼타 분)와 캐스터 트로이(니콜라스 케이지 분)의 얼굴 이식 장면이 생각나는 지점이다. 영화 속 숀은 청부 테러범 케스터의 얼굴과 목소리까지 완벽하게 복제해 흥미진진한 볼거리를 제공했다. 브레인브리지는 하셈 알-가일리(Hashem Al-Ghaili) 박사가 설립한 기업으로, 그는 뉴럴링크(Neuralink)를 두피 마사지처럼 보이게 하는 움직임으로 알츠하이머 등 중증 장애를 가진 사람들에게 새로운 삶을 선사하기 위해 머리와 얼굴 전체 수술을 하고자 한다고 전했다. 브레인브리지는 고속 로봇 시스템과 AI 알고리즘을 활용하여 기증자의 머리를 환자의 몸에 이식하는 시스템을 개발하고 있다. 이 시스템은 척수, 신경, 혈관을 정밀하게 연결하고, 독점적인 화학 접착제와 폴리에틸렌 글리콜을 사용하여 절단된 뉴런을 재생하는 혁신적인 기술을 접목했다. 이는 기존의 수술 방식으로는 불가능했던 복잡한 수술 과정을 자동화하고, 성공률을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다. 불치병 치료의 새로운 희망 알-가일리 박사는 지난해 10 소셜 미디어 X(구 '트위터')를 통해 "첨단 로봇공학과 완전한 머리와 안면 이식 절차를 수행하는 세계 최초의 머리 이식 시스템인 브레인브리지를 발표하게 되어 기쁘다"고 말했다. 그는 이 기술이 말기 암, 전신 마비, 알츠하이머, 파킨슨병 등 현대 의학으로 치료가 어려운 불치병 환자들에게 새로운 삶의 기회를 제공할 수 있다고 강조한다. 알-가일리 박사는 8년 안에 첫 수술을 목표로 척수 복구와 같은 난제를 해결하기 위해 최고의 인재를 영입하고 있으며, 척수 수술 성공을 시작으로 머리 이식까지 점진적으로 나아갈 계획이다. 윤리적 논쟁과 기술적 과제 하지만 이러한 혁신적인 기술 발표는 의료계와 사회 전반에 걸쳐 뜨거운 논쟁을 불러일으키고 있다. 2017년에도 알-가일리 박사가 머리 이식 수술을 제안했지만 아직 실현되지 않았으며, 척수 손상 복구와 같은 기술적 문제는 여전히 극복해야 할 과제로 남아있다. 또한, 뇌 이식과 관련된 윤리적인 문제, 예를 들어 개인의 정체성, 기억, 감정 등에 대한 논의는 사회적 합의가 필요한 부분이다. 미래 의료 기술의 발전과 논쟁 브레인브리지의 머리 이식 시스템은 아직 초기 단계이며, 대기 명단 신청도 불가능한 상황이다. 그러나 이 기술은 미래 의료 기술 발전의 가능성을 보여주는 동시에, 생명 윤리, 사회적 영향 등 다양한 측면에서 심층적인 논의를 촉발하고 있다. 머리 이식에 가장 큰 도전 과제 중 하나는 신경 연결이다. 이식된 머리가 신체와 제대로 연결되기 위해서는 수 많은 신경망이 정확하게 연결되어야 한다. 또한 이식된 머리와 신체가 제대로 소통하기 위해서는 혈관이 성공적으로 연결되어야 하며, 이는 수술 중에서도 매우 복잡한 과정이다. 적절한 혈류와 산소 공급이 없으면 조직이 손상될 수 있다. 의학계자는 현재의 의학 기술로는 이렇게 복잡한 신경 연결을 성공적으로 수행하는 것은 매우 어렵다고 밝혔다. 머리 이식은 기술적으로 매우 복잡하며, 수술의 성공 가능성도 낮다. 머리 이식 수술을 받은 사람은 심리적으로 큰 충격을 받을 수 있다. 자신의 신체가 다른 사람의 것이라는 인식은 심각한 정체성 혼란과 정신적 문제를 일으킬 수 있다. 또한 사회적 수용 및 법적 문제도 중요하다. 앞으로 브레인브리지의 기술 개발 과정과 함께, 머리 이식과 관련된 윤리적, 사회적 논쟁은 더욱 활발하게 진행될 것으로 예상된다.
- 포커스온
2024-05-29 13:12:00
뉴럴링크, FDA 허가로 6월 중 두 번째 환자 대상 뇌 임플란트

FDA(미국식품의약국)의 공식 허가에 따라 일론 머스크의 바이오 칩 스타트업 뉴럴링크(Neuralink)가 두 번째 뇌 이식 수술을 시행할 예정이라고 월스트리트저널, ARS테크티카 등 외신이 21일(현지시간) 전했다. 뉴럴링크는 29세의 사지마비 환자 놀란드 아르보를 대상으로 첫 번째 브레인 칩을 뇌에 임플란트해 컴퓨터 커서를 움직이게 하는 등의 실험을 진행해 왔다. 최근 보도에서 아르보에 이식된 칩에 약간의 버그가 생겼으며, 뇌에 이식된 전극이 있는 실(스레드)의 15%만이 제대로 작동했던 것으로 알려졌다. 나머지 85%의 스레드는 상실되었으며, 외부 신호를 거의 또는 전혀 수신하지 못했다고 한다. 그러나 뉴럴링크는 뇌 신경계의 이상으로 신체 장애를 겪는 환자를 대상으로 칩 임플란트 실험을 계속한다는 방침이며, 이번에 FDA로부터 두 번째 환자를 대상으로 하는 칩 이식 수술 허가를 받았다. 이에 뉴럴링크는 공식 블로그를 통해 경추 척추 손상 또는 루게릭병으로 손 사용이 어려운 환자를 대상으로 칩 이식 신청을 받는다고 전했다. 뉴럴링크는 이달 초 블로그에서, 칩에는 머리카락보다 가는 64개의 스레드가 연결되며 각 스레드에는 16개의 전극이 달려 총 1024개의 전극이 탑재돼 신호를 전달한다고 밝혔다. 전극이 달린 스레드는 디코딩될 수 있는 신호를 기록하기 위해 뉴런 근처에 외과적으로 이식된다. 스레드가 연결된 칩은 현재는 거의 사용하지 않지만 50원짜리 동전 정도의 크기이며, 여기에는 선호처리, 전기공급, 통신 등의 기능이 집약돼 있다. 아르보에게는 이식된 칩의 경우 앞서 기술했듯이 전극의 85%가 수축하면서 자리를 이탈해 연결이 끊어졌다. 전극의 15%만 작동하면서 데이터 전송량이 크게 줄어든 것. 이상이 발생한 칩을 점검하는 과정에서 뉴럴링크는 신경 신호를 디코딩하는 전극 데이터의 손상 부분 알고리즘을 조정할 수 있었으며 현재는 안정화된 상태라고 밝혔다. 월스트리트저널은 뉴럴링크가 두 번째 시험 참가자에게 칩을 외과적으로 이식하기 위해 준비하고 있는 상황을 보도했다. 뉴럴링크는 6월 중 2차 수술을 실시한다는 계획이며, 대상자를 선정하면 곧바로 수술에 나설 예정이다. 뉴럴링크는 미세한 와이어를 환자의 뇌 조직 깊숙이 이식하기만 하면 스레드가 제자리를 유지할 수 있을 것이라고 예상했다. 이에 따라 뉴럴링크는 아르보의 뇌 이식에 사용된 3mm~5mm 깊이가 아닌 8mm의 스레드를 이식할 계획이며, 이 역시 FDA로부터 승인을 받은 것으로 알려졌다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 칩은 수년 동안 연구개발과 실험을 지속해 왔다. 2006년에는 사지마비 환자가 이메일을 열고, 장치를 작동하고, 의수와 로봇 팔을 제어하는 데 사용할 수 있는 ‘신경 커서’를 제어할 수 있는 첫 번째 브레인 칩 사례를 보고했다. 사용된 칩은 96개의 전극을 장착한 유타 어레이(Utah Array)였으며, 이는 뇌 조직에 최대 1.5mm까지 침투할 수 있었다.
- IT/바이오
2024-05-22 10:01:00
[퓨처 Eyes(33)] 인텔, 인간 뇌 모방 뉴로모픽 컴퓨터 '하라 포인트' 공개

미국 반도체 기업 인텔은 인간 뇌의 작동 방식을 본떠 설계 및 구성된 세계 최대 규모의 뉴로모픽 컴퓨터 '하라 포인트(Hala Point)'를 개발했다고 발표했다. '하라 포인트'라고 명명된 이 컴퓨팅 시스템은 차세대 인공지능(AI) 모델을 구축하려는 연구자를 지원하도록 설계됐다. 라이브사이언스에 따르면, 하라 포인트는 1152개의 신규 인공지능 칩 '로이히 2' 프로세서로 구동된다. 인텔 측은 이 혁신적인 시스템이 기존 컴퓨터 시스템 대비 인공지능 작업 속도를 50배 향상시키고 에너지 소비량을 100배 줄일 수 있다고 주장한다. 다만, 이 수치는 아직 동료 검토를 거치지 않은 연구 결과를 기반으로 한 것임을 밝혔다. 22일(현지시간) AI비즈니스 보도에 따르면, 인텔의 새로운 뉴로모픽 컴퓨터는 에너지 사용량을 크게 줄이면서 기존 GPU 대비 최대 50배 더 빠른 성능을 제공한다. '하라 포인트'에는 최대 11억 5000만 개의 인공 뉴런과 14만 544개의 뉴로모픽 처리 코어를 지원하며, 1152개의 로이히 2 프로세서에 분산된 1288억 개의 시냅스를 탑재하고 있다. 이 강력한 하드웨어는 초당 최대 20경 회 연산, 즉 20페타옵스의 처리 성능을 제공하며, 인텔의 초기 뉴로모픽 시스템인 포호이키 스프링스(Pohoiki Springs) 대비 최대 12배 향상된 성능을 자랑한다. 하라 포인트는 기존 하드웨어 대비 50배 빠른 속도로 동작하면서도 에너지 소비량은 100배 적게 소비한다. 이는 GPU 및 CPU 기반 시스템에서 달성한 성능을 뛰어넘는 놀라운 수치이며, 인공지능 분야의 발전에 획기적인 도약을 선사할 것으로 기대된다. 하지만 뉴로모픽 컴퓨터는 슈퍼컴퓨터와 데이터 처리 방식이 달라 직접적인 비교는 어렵다. 이 혁신적인 시스템은 뉴멕시코주 앨버커키에 위치한 샌디아 국립연구소에 설치되어 장치 물리학, 컴퓨팅 아키텍처, 컴퓨터 과학 등 다양한 분야의 과학적 문제 해결에 활용될 예정이다. 기존 컴퓨터와 어떻게 다른가? 뉴로모픽 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 아키텍처부터 근본적으로 차별화된다. 미국 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 컴퓨터 과학자 프라사나 데이트 박사는 리서치게이트(ResearchGate)에 올린 글에서 뉴로모픽 컴퓨터가 인공 신경망을 기반으로 구축된다고 설명했다. 기존 컴퓨터는 0과 1로 이루어진 이진 데이터를 처리하는 반면, 뉴로모픽 컴퓨터는 '스파이크 입력'이라는 일련의 불연속적인 전기 신호를 사용한다. 또한, 칩 자체에 메모리와 연산 능력을 통합하여 데이터 이동 거리를 줄이고 병렬 처리를 가능하게 함으로써 전력 소비를 획기적으로 감소시킨다. 인텔은 "하라 포인트가 AI 에이전트, 대규모 언어 모델, 스마트 시티 인프라 관리와 같은 '미래 지능형 응용 분야'에 대한 실시간 연속 학습을 가능하게 할 수 있다"고 밝혔다. 인텔 랩스 뉴로모픽 컴퓨팅 랩(Neuromorphic Computing Lab)의 마이크 데비스(Mike Davies) 소장은 "오늘날 인공지능 모델의 컴퓨팅 비용이 지속 불가능한 속도로 증가하고 있다"고 지적했다. 그는 "현재 인공지능 산업은 확장 가능한 근본적으로 새로운 접근 방식을 절실히 필요로 한다"고 강조하며, 이에 인텔은 딥 러닝 효율성과 혁신적인 두뇌 영감 학습 및 최적화 기능을 결합한 첨단 뉴로모픽 컴퓨터 '하라 포인트'를 개발했다고 설명했다. 데비스 소장은 "하라 포인트를 통한 연구가 대규모 인공지능 기술의 효율성과 적응성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다"고 덧붙였다. 현재 하라 포인트는 연구용 프로토타입 단계라 구매는 불가능하다. 하지만 인텔은 이 혁신적인 시스템이 미래 인공지능 제품의 기반이 되고 인공지능으로 인한 컴퓨팅 집약도를 효과적으로 줄이는 데 기여할 것으로 기대하고 있다. 뉴로모픽 컴퓨팅, AI혁신 이끌까? 뉴로모픽 컴퓨팅(Neuromorphic Computing)은 인간 뇌의 놀라운 신경 가소성, 즉 경험을 통해 적응하고 변화하는 뇌의 능력을 모방하는 시스템 구축에 초점을 맞춘 첨단 연구 분야이다. 이진 코드를 사용하는 기존 컴퓨팅 시스템과 달리 뉴로모픽 시스템은 인공 뉴런과 시냅스의 복잡한 네트워크를 활용하여 정보를 처리한다. 연구자들은 뉴로모픽 컴퓨팅이 인간 두뇌의 놀라운 학습 능력을 모방하여 시스템의 효율성을 극대화하고 정보 처리 능력을 향상시킬 수 있다고 기대한다. 인공지능 시스템은 이전 경험과 데이터를 활용하여 지속적으로 학습하고 발전할 수 있을 것으로 전망된다. 인텔의 혁신적인 노력 외에도, 구글 딥마인드(Google DeepMind)는 단순히 증가하는 데이터로 AI 작업을 훈련하는 것이 아니라 메모리에서 학습하도록 가르치는 '뉴로AI(NeuroAI)' 개념을 연구하고 있다. 뉴로모픽 하드웨어 시스템의 또 다른 예로는 IBM의 '노스폴(NorthPole)' 반도체가 있다. 이는 인간 두뇌의 정보 처리 방식을 모방하지만 단일 칩에 구현된 첨단 시스템이다. 인텔의 뉴로모픽 컴퓨터 시스템은 비디오, 음성, 무선 통신 등 다양한 워크로드를 처리하는 딥 러닝 모델을 크게 강화할 수 있는 잠재력을 지닌다. 인공지능 분야의 게임 체인저인가? 초기 연구 결과에 따르면, 하라 포인트는 인공지능 작업에서 와트당 15조 연산(TOPS/W)이라는 놀라운 에너지 효율성을 달성했다. 대부분의 기존 인공 신경망 처리 장치(NPU)와 다른 인공지능 시스템들이 보여주는 와트당 10 TOPS 이하의 수치를 훨씬 뛰어넘는 성능이다. 뉴로모틱 컴퓨팅은 인공지능 응용 분야에서 특히 유망한 기술로 여겨지고 있다. 로보틱스, 자율주행 차량, 지능형 카메라 시스템, 실시간 의사 결정 시스템 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 또 뉴모로틱 칩은 전력 소모가 매우 낮아 배터리 수명이 중요한 모바일 기기나 원격 센서에 적합하다. 그러나 고도의 복잡성과 대규모 통합을 요구하는 뉴로모틱 칩의 설계와 제조는 아직까지 도전 과제로 남아 있다. 또한 이 기술을 기존의 컴퓨팅 시스템과 효울적으로 통합하는 방법도 주요 과제 중 하나다. 뉴로모픽 컴퓨팅 기술은 아직 초기 개발 단계이지만, 하라 포인트와 유사한 규모의 시스템들은 빠르게 개발되고 있다. 호주 서부 시드니 대학교 국제 뉴로모픽 시스템 연구 센터(ICNS)는 2023년 12월 유사한 시스템을 배치할 계획이라고 발표했다.
- 포커스온
2024-04-25 09:23:00
왼손잡이, "희귀 유전자 변이가 연관되어 있다"는 주장 제기

특정 유전자의 변이체가 인간의 왼손잡이 발달과 연관되어 있다는 사실이 드러났다. 이러한 변이체가 왼손잡이와 같이 인간의 신체적 특성을 어떻게 바꾸는지를 알게 되면, 유전자가 어떻게 사람들을 신경발달 장애를 갖거나 신경퇴행성 질환을 일으키는지와 같은 수수께끼를 푸는 실마리를 제공할 수 있을 것이라고 사이언스 온라인판이 전했다. 네덜란드 막스 플랑크(Max Planck Institute) 심리언어학 연구소 팀이 35만 명 이상의 유전자 데이터를 분석한 결과 뇌 관련 신경퇴행성 장애나 왼손잡이를 결정짓는 희귀한 코딩 요소 사이의 몇 가지 가능한 연관성들을 발견했다. 이번 연구는 '네이처 커뮤니케이션스'에 게재됐다. 인간 손의 거울 반사와 같은 제한된 방향성은 생물학에서 흔한 현상이다. 즉, 좌우 개념으로 나타나는 1쌍의 거울 상체가 존재하는 물체의 특징이다. 분자조차도 종종 일관된 방향성을 가지고 있는데, 이를 키랄성(분자 비대칭성)이라고 한다. 예를 들어, 단백질의 구성 요소는 일반적으로 왼손잡이로 설명되는 구조를 가지고 있는 반면, 모든 생명체에서 자연적으로 발견되는 DNA는 오른손잡이 방식으로 꼬인다. 전체 인구 10%만 왼손잡이 그러나 자연이 왜 특정한 꼬임을 선호하는지는 명확한 것은 아니다. 똑같이 유용한 두 손과 팔을 갖고 있는 사람들은 오른손잡이이거나 왼손잡이일 가능성이 같아 보인다. 즉 50대 50이라는 얘기다. 그러나 전체 인구의 약 10%만이 왼손잡이다. 왼손잡이는 특정 신경발달 장애를 가진 사람들 사이에서 더 많이 발생하며, 왼손잡이와 언어는 밀접하게 관련되어 있다. 사람의 유전자와 관련된 증거가 점점 늘어나면서 광범위한 연구가 진행됐다. 쌍둥이를 대상으로 한 연구에 따르면 왼손잡이는 4명 중 1명꼴로 유전되는 것으로 나타났다. 왼손잡이냐 오른손잡이냐를 유발하는 뇌 비대칭은 어릴 때부터 형성되기 시작하며, 아기가 아직 자궁에 있는 동안에도 진행된다. '왼손잡이 결정' 유전자 탐구 연구팀은 왼손잡이 결정에 관여하는 유전자를 탐구했다. 2019년 40만 가지의 개인 기록에 대한 연구에서 왼손잡이와 관련된 첫 4개의 유전자 영역이 밝혀졌다. 2020년에는 170만 명이 넘는 사람들을 대상으로 한 게놈 연구에서 왼손잡이에 영향을 미치는 41개의 유전자 변이가 발견됐다. 연구팀은 희귀 유전자 변이가 왼손잡이에 미치는 영향을 확인하기 위해 영국 바이오뱅크에 있는 35만 명 이상의 유전 데이터를 조사했다. 왼손잡이 3만 8043명과 오른손잡이 31만 3271명을 대상으로 조사가 진행됐다. 팀은 왼손잡이와 관련된 특정 유전자를 검색하고, 희귀한 유전자 변화가 왼손잡이 결정에 얼마나 영향을 미칠 수 있는지를 계산했다. 연구팀은 희귀한 코딩 변종을 가진 왼손잡이의 유전율이 약 1%라는 것을 발견했다. 연구팀은 또 왼손잡이가 미세소관을 만드는 튜불린을 코딩하는 TUBB4B라는 유전자에 희귀한 코딩 변이를 가질 확률이 2.7배 더 높다는 사실도 발견했다. 튜불린은 세포골격을 구성하는 미세소관의 단위체이며, 미세소관은 뉴런 발달, 이동 및 가소성에 중요하다. 자폐증, 왼손잡이 비율 더 높아 미세소관이 왼손잡이나 오른손잡이 결정에 어떻게 영향을 미치는지는 아직 불투명하다. 그러나 미세소관이 뇌 발달 초기에 세포 키랄성에 영향을 미치며, 이에 따라 뇌 왼쪽의 장기 내재적 형성에 기여할 수는 있다고 한다. 연구팀은 특히 자폐증과 관련된 두 유전자(DSCAM과 FOXP1)에 변이가 있는 사람들이 왼손잡이가 될 가능성이 훨씬 더 높다고 지적했다. 대부분의 왼손잡이는 자폐증이 없지만, 자폐증 중 왼손잡이의 비율이 더 높은 것은 드문 유전자 변화 때문일 수 있다는 설명이다. DSCAM 또는 FOXP1 유전자 돌연변이가 자폐증에 영향을 미치는 경우 뇌의 좌우 축 발달 변화가 원인의 일부일 가능성도 있다는 지적이다. 이 연구는 왼손잡이에서 희귀한 단백질 변형 변이의 역할을 밝혀 미세소관과 신경발달 장애 등과 관련한 유전자에 대한 추가 데이터를 제공한다는 데 의미가 크다는 평가다. 연구팀은 희귀 변이 연관 매핑이 왼손잡이에 더 많은 유전자를 포함할 가능성이 높다고 추정하고 있다.
- IT/바이오
2024-04-08 16:03:00
[먹을까? 말까?(1)] 뇌 건강에 도움 되는 '나쁜' 탄수화물

흰 쌀밥. 파스타 등 백색 탄수화물은 일반적으로 건강에 좋지 않다고 알려져 있다. 그러나 일부 탄수화물은 뇌 건강에 도움이 되는 것으로 밝혀졌다. 두뇌 건강을 유지하는 것은 신체 건강을 유지하는 것 만큼이나 중요할 수 있다. 뇌가 제대로 기능하지 못하면 기억력 감퇴 등의 위험이 있다. 반면, 뇌를 잘 관리하면 특정 신경 퇴행성 질환의 발병 위험을 줄일 수 있다. 생선, 호두, 아마씨에 풍부하게 함유된 오메가-3 지방산은 두뇌 발달과 기능에 중요한 역할을 하며 알츠하이머병의 위험을 낮출 수 있다. 비타민 C와 E와 같은 항산화제는 뇌세포를 손상시킬 수 있는 산화 스트레스와 싸우는 데 도움이 된다. 특히 비타민 B6, B12, 엽산은 신경전달물질 생성을 지원하고 뇌 노화와 기분 장애의 위험을 완화할 수 있다. 이팅웰이 전한 다이어트를 하는 사람들에게 나쁜 탄수화물로 알려졌지만 실제로는 뇌 건강에 좋은 건강 전문가가 추천하는 탄수화물 6가지를 정리했다. 탄수화물, 뇌 건강에 나쁜가? 키토제닉 다이어트(ketogenic Diet, 일명 키토 다이어트)와 같은 저탄수화물 다이어트의 인기로 인해 탄수화물은 건강에 좋지 않다는 오해를 받기도 한다. 키토 다이어트는 '저탄수화물 고지방 다이어트(저탄고지, Low carb-high fat diet, LCHF)'를 말한다. 열량의 총 섭취량은 유지하면서 섭취 비중 가운데 탄수화물이 들어간 음식을 줄이고 지방이 들어간 음식을 늘려 체내 인슐린 저항성을 추는 것을 목표로 한다. 뇌 건강 영양 전문가이자 베스트셀러인 「마인드 다이어트(The MIND Diet)」의 저자인 매기 문(Maggie Moon) 영양학 석사이자 공인 영양사는 "기본적으로 탄수화물은 뇌가 선호하는 에너지원인 포도당으로 분해되기 때문에 뇌는 탄수화물을 필요로 한다"라고 설명했다. 그녀는 뇌는 신진대사가 활발하고 영양분을 빨리 소모한다고 덧붙였다. 매기는 "뇌는 체중의 약 2%에 불과하지만 일일 칼로리의 최대 20%를 소비한다. 뇌에 포도당(당질)이 충분하지 않으면 뉴런 간의 통신이 중단되고 사고, 학습 및 기억을 포함한 인지 기능이 저하될 수 있다"고 말했다. 반드시 섭취해야 하는 '나쁜' 탄수화물 하지만 모든 탄수화물이 뇌 건강에 도움이 되는 것은 아니다. 설탕이 다량 첨가된 식품(구운 식품, 쿠키, 사탕, 일반 탄산음료 등)은 만성 염증과 산화 스트레스의 위험을 증가시켜 뇌세포를 손상시키고 정기적으로 섭취할 경우 인지 기능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. "'흰 색 탄수화물'은 피하라" 혹은 "천연 설탕이 함유된 탄수화물은 식탁에서 멀리해야 한다"는 말을 들어본 적이 있을 것이다. 이런 말들로 인해 탄수화물은 '해로운 것'으로 분류되는 경향이 있다. 그러나 실제로는 일부 탄수화물이 우리 식단에서 픽요핝 중요한 영양소를 제공하는 데 도움이 될 수 있다. 1. 흰 쌀(백미) 흰 쌀밥은 전세계 많은 문화권에서 주식으로 먹는 음식이며, 결코 '유해한' 탄수화물은 아니다. 가공 과정에서 섬유질이 대부분 제거되기는 하지만, 백미에는 몇 가지 주목할만한 영양 성분이 있다. 우선 백미는 지방 함량이 낮고 설탕과 나트륨이 첨가되지 않았다. 또한 칼슘, 철분, 마그네슘 등 다양한 미량의 영양소가 풍부하게 함유되어 있다. 미국 농무부의 푸드데이터 센트럴에 따르면 백미, 현미, 생쌀, 비정제 쌀 등은 엽산을 포함해 다양한 미량 영양소를 풍부하게 함유하고 있어 영양소 요구량을 충족하는 데 도움이 된다. 쌀은 자연적으로 글루텐이 없으므로 셀리악병 환자(celiac disease)에게 안전한 식품이다. 백미를 많이 섭취하는 것이 모든 사람의 식단에 적합하지는 않지만, 일반적으로 건강한 사람들에게는 영양학적으로 균형잡힌 식단의 일부가 될 수 있다. 2. 빵 빵은 샌드위치 등 다양한 용도로 사용되는 포만감을 주는 식품이다. 유행하는 다이어트 방식에서 종종 '금지 식품'으로 분류될 수도 있지만, 통곡물 빵 등 영양이 풍부한 빵을 섭취한다면 균형 잡힌 식단이 될 수 있다. 빵의 종류에 따라 영양 성분에 차이가 있을 수 있다. 예를 들어 통곡물 빵은 정제된 흰 빵에 비해 식이섬유가 더 풍부하고, 강화된 빵은 비강화된 식빵보다 비타민 B가 더 많이 함유되어 있다. 사워도우 빵(Sourdough bread, 천연발효빵)은 만드는 과정 덕분에 몇 가지 독특한 건강상의 이점을 제공할 수 있다. 일부 데이터에 따르면 사워도우 빵을 매일 섭취하면 대장 미생물의 대사를 촉진할 수 있으며, 혈당 조절과 포만감 증진에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 3. 파스타 파스타는 독특한 단백질 구조를 가진 정제 탄수화물로, 흰 빵과 같은 식품보다 소화 속도가 더 느리다. 이 느린 소화 과정으로 인해 흰 빵과 비교할 때 파스타를 섭취했을 때보다 혈당 반응이 더 낮을 수 있다. 대부분의 파스타는 혈당 지수가 낮거나 중간 정도로 간주된다. 혈당 지수는 음식이 혈당을 얼마나 신속하게 올리는 지 측정하는 지표다. 따라서 혈당 지수가 높은 식품에 비해 낮은 식품은 혈당 상승 속도를 더디게 한다. 폐경기 여성을 대상으로 한 연구에 따르면 매주 파스타를 3인분 이상 먹는 사람은 뇌졸중과 죽상 경화성 심혈관 질환의 위험이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 다른 연구 데이터에 따르면 파스타를 섭취하는 사람은 파스타를 먹지 않는 사람에 비해 식단의 질이 더 좋은 경향이 있는 것으로 나타났다. 특히 파스타를 섭취하는 사람들은 그렇지 않은 사람들에 비해 엽산, 섬유질, 철분, 마그네슘을 더 많이 섭취하는 경향이 있다. 4. 옥수수 옥수수는 수분이 풍부해 건강에 도움이 되지만 조리시 사용하는 버터의 양은 주의가 필요하다. 노란색 옥수수는 눈 건강에 도움이 되는 두 가지 카로티노이드인 루테인과 제아잔틴의 천연 공급원으로 황반변성 위험을 줄이는 데 도움이 될 수 있다. 옥수수에는 섬유질, 단백질 및 아연, 구리, 마그네슘 등 다양한 영양소도 함유되어 있다. 자색 옥수수는 안토시아닌이 풍부하게 함유되어 있다. 5. 바나나 바나나는 섬유질 함량 때문에 인터넷과 소셜 미디어에서 '나쁜' 과일로 평가되기도 한다. 하지만 이러한 주장은 과학적 근거가 부족하다. 오히려 바나나는 필수 영양소를 제공해 건강한 식단의 일부가 될 수 있다. 바나나는 설탕이 전혀 첨가되지 않았으며, 영양가가 매우 높은 식품이다. 중간 크기의 바나나 한 개는 칼로리가 100kal에 불과하며 식이섬유가 3g, 칼륨, 마그네슘, 비타민 C와 같은 미량 영양소가 풍부하다. 바나나는 심장 건강을 지원하는 필수 영양소인 칼륨의 좋은 공급원이다. 실제로 건강한 혈압을 유지하는 데 가장 좋은 식단 중 하나로 꼽히는 '대시 식단(DASH Diet)'에서는 칼륨 섭취를 강조한다. 고혈압을 관리하는 대표적인 식사법인 대시 식단의 기본은 저염, 저당, 저지방이다. 완전히 익기 전에 먹으면 바나나가 제공하는 프리바이오틱 식이섬유를 추가로 섭취할 수 있다. 덜 익은 바나나에는 건강한 장내 미생물을 지원하는 데 도움이 될 수 있는 저항성 전분이 더 많이 함유되어 있다. 6. 감자 감자는 단순히 탄수화물을 공급하는 것을 넘어 섬유질, 비타민 C, 칼륨의 천연 공급원이기도 하다. 연구 데이터에 따르면 감자는 당뇨병 환자에게도 건강한 식단의 일부로 포함될 수 있는 안전한 선택이 될 수 있다. 특히, 한 연구에서는 껍질을 벗긴 감자를 저녁 식사로 섭취한 성인 제2형 당뇨병 환자가 저혈당성 바스마티 쌀(low-glycemic basmati rice)을 포함한 식사를 한 사람보다 야간 혈당 반응이 더 낮았다. 물론, 개인마다 필요한 영양소가 다르고, 모든 음식이 균형 잡힌 영양 섭취의 일환으로 교려될 수 있기 때문에 식품을 단순히 '좋은 식품' 혹은 '나쁜 식품'으로 분류하는 것은 적절하지 않다. "나쁘다"고 지속적으로 언급되는 탄수화물도 특별한 건강 문제가 없는 한 유익한 식단이 될 수 있다. 특히 전반적으로 건강한 사람들에게는 균형 잡힌 식단에 포함될 수 있다. 단백질과 채소를 곁들인 구운 감자나 신선한 바나나를 올린 시리얼과 같은 탄수화물을 포함한 식사는, 기저 질환이 없는 경우, 맛과 영양을 향상시킬 수 있는 훌륭한 식단 선택이 될 수 있다.
- 생활경제
2024-04-08 15:15:00
홍콩대, 파킨슨병(PD) 신경퇴행 강력 억제하는 식이요법 보충제 발견

홍콩대(HKU) 생명과학부 차오구 정 교수팀이 진행한 연구에서 짧은사슬 지방산(SCFA: 탄소 수 6개 이하의 지방산)인 프로피오네이트가 장과 뇌 사이의 기관 간 신호전달을 조절해 파킨슨병(PD) 신경퇴행을 강하게 억제한다는 사실이 밝혀졌다고 과학 전문 매체 사이테크데일리가 전했다. 프로피오네이트 분해를 억제하거나 식이요법을 통해 프로피오네이트를 보충하면, PD와 관련된 지표가 개선되고 장에서 에너지 생산이 향상돼 단백질 응집체를 분산시킬 필요 없이 신경 건강이 촉진된다는 것이다. 프로피오네이트 수치를 증가시켜 신경퇴행을 대사적으로 막는 것은, 파킨슨 등 신경퇴행성 질환의 치료에 대한 새로운 가능성을 제시한다는 점에서 주목받고 있다. 이 연구 결과는 최근 선도적인 생물학 저널인 '셀리포트(Cell Reports)'에 발표됐다. 연구 배경 뇌의 단백질 응집체를 표적으로 삼아 PD와 알츠하이머병(AD)과 같은 신경퇴행성 질환을 치료하는 전통적인 방법은 지금까지 성공 가능성이 매우 낮았다. 그러나 이번 새로운 연구는 장내 세균에서 유래한 대사산물이 신경퇴행을 조절하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여 준다. PD는 도파민성 신경세포에 알파시누클레인(알파-신: 뇌세포 사이에 신경 전달을 돕는 단백질로 PD를 일으키는 주요 원인) 단백질이 비정상적으로 축적되고 응집되는 것을 특징으로 하며, 이는 단백질 독성 스트레스와 신경 세포 사망을 유발한다. 실험용 쥐를 대상으로 한 PD 모델에 대한 이전 연구에서는 장내 미생물군이 알파-신 병리학의 운동 결핍 및 신경 염증을 유발하는 것으로 나타났다. 그러나 어떤 미생물이 숙주 신경퇴행에 영향을 미치는지는 대부분 불분명하다. 최근 몇 년 동안 관심을 끌고 있는 박테리아 대사산물의 한 종류는 식이섬유의 발효를 통해 혐기성 박테리아가 생산하는 SCFA(초산, 프로피온산 및 부티르산)이다. 그러나 SCFA가 신경 퇴행에 미치는 영향은 논란의 여지가 있다. 일부 연구에서는 SCFA가 신경 퇴행을 악화시키고 염증을 증가시키는 것으로 나타났다. 반면 다른 연구에서는 SCFA가 신경 퇴행을 방지한다는 사실이 밝혀졌다. 정 교수팀은 이전에 흙 속에 사는 1mm정도 크기의 작은 선형동물(C. elegans) PD 모델을 사용해 전체 게놈을 검사, 여기에서 38개의 신경퇴행성 유전자를 확인했다. 이 박테리아 유전자 중 일부는 숙주에서 프로피오네이트의 분해를 유도하는 비타민 B12의 생합성에 필수적이다. 이에 따라 연구팀은 프로피오네이트의 수치를 높이면 신경퇴행을 억제할 수 있다고 가정했다. 주요 조사 결과 정 교수팀은 PD 질환 동물이 정상 동물보다 프로피오네이트 수치가 낮았으며, 프로피오네이트 분해를 유도하는 식이성 비타민 B12를 제거하거나 프로피오네이트를 직접 보충하면 프로피오네이트 수치를 높이고, 알파-신으로 유발된 신경 세포 사망 및 운동 장애를 막는다는 사실을 발견했다. 놀랍게도 프로피오네이트의 신경보호 효과는 뉴런과 장 사이의 기관 간 신호 전달에 의해 매개됐다. 알파-신의 신경 세포 응집은 장에서 미토콘드리아 전개 단백질 반응(mitoUPR)을 유발해 프로피오네이트 생산을 줄였다. 낮은 프로피오네이트 수치는 지방산 및 아미노산 대사에 관여하는 수많은 프로피오네이트 반응 유전자의 하향 조절을 유발했고, 결국 장의 에너지 생산 결함을 초래했으며, 이는 젖산 및 신경펩티드와 관련된 장-뇌 통신을 통해 신경퇴행을 더욱 악화시켰다. 장에서 프로피오네이트 생산을 유전적으로 강화하거나 프로피오네이트 하류의 주요 대사 조절 인자의 장 발현을 복원하면 신경퇴행이 개선됐다. 이는 장의 대사 상태가 알파-신 유도 신경퇴행을 조절할 수 있음을 시사한다. 중요한 것은 프로피오네이트 보충이 알파-신 응집을 감소시키지 않고 신경퇴행을 억제해 단백질 응집체 하류의 신경 단백질 독성의 대사 구조를 입증한다는 것이다. 이 새로운 연구는 신경퇴행성 질환의 장-뇌 상호작용에 소분자 대사산물이 관여한다는 점을 강조한다. 건강 영향에 미칠 가능성 이 연구는 PD 질환 동물 모델의 실험 결과와 임상 관찰을 연결한다는 점에서 흥미롭다. PD 동물과 마찬가지로 인간 PD 환자도 SCFA를 생성하는 공생 박테리아의 양이 감소하기 때문에 건강한 개인보다 SCFA 수준이 감소한다. 따라서 PD 환자의 낮은 양의 SCFA는 실제로 질병 진행 및 중증도를 초래할 수 있으며, 식이요법을 통해 프로피오네이트를 보충하면 질병을 치료하고 증상을 개선하는 데 도움이 될 수 있다고 정 교수는 강조했다. 정 교수는 SCFA가 장내 식이섬유의 혐기성 발효에 의해 생성되기 때문에 섬유질이 풍부한 식품, 예컨대 씨앗, 견과류, 과일, 야채 등을 식단에 추가하면, 장내 세균에 의한 SCFA 생성도 증가할 수 있으며 뇌 건강에 유익하다고 제안했다.
- IT/바이오
2024-04-02 16:24:00
실데나필, 알츠하이머 발병 위험 50% 감소

발기부전 치료에 사용되는 미국 식품의약국(FDA) 승인 의약품 비아그라가 알츠하이머 병의 발병 위험을 줄인다는 연구 결과가 나왔다. 과학 전문 매체 사이언스 얼럿은 25일(현지시간) 미국 클리블랜드 클리닉 연구팀은 '비아그라'라는 브랜드로 흔히 판매되는 실데나필의 유전적 및 신경학적 효과에 대한 실험실 조사와 함께 의료 보험 데이터를 분석, 실데나필이 뇌 신경 세포의 중요한 단백질이 엉키는 것을 방지하는 잠재력을 검증했다고 보도했다. 신경 가소성 관련 효소 억제제의 역할 연구 결과에 따르면 포스포디에스테라아제(PDE) 억제제라는 효소 차단제가 음경의 혈류를 촉진할 뿐만 아니라 치매의 원인이 되는 신경 퇴화를 예방할 수 있다는 사실이 여러 연구에서 입증됐다. 이는 PDE5가 신경 가소성(neuroplasticity)에 영향을 미치는 신경 신호 경로에 관여한다는 사실과 연관이 있다. 동물 모델 연구에서 PDE5 억제제인 실데나필은 신경 세포에서 '타우' 단백질의 과도한 인산화를 줄여 독성 응집체 형성을 억제하고, 이를 통해 인지 기능과 기억력 향상에 도움이 되는 것으로 나타났다. 하지만 모든 연구 결과가 긍정적인 것은 아니며, 일부 연구에서는 실데나필의 인구 집단 수준 효과를 확인하지 못했다. 또한 실데나필의 신경계 작용 메커니즘은 아직 완전히 규명되지 않았다. 줄기 세포 뉴런 모델을 통한 치료 효과 연구 이번 연구에서는 알츠하이머 환자로부터 기증받은 줄기 세포로 만들어진 신경 세포 배양을 이용해 실데나필의 치료 효과를 뒷받침하는 대사 및 유전 활동을 지도했다. 연구팀은 5일간 실데나필을 투여한 결과 실험실에서 배양한 뉴런은 과도한 농도의 인을 첨가했을 때 타우 단백질 수치가 현저히 낮아져, 실데나필이 뇌세포를 보호하는 데 탁월한 효과가 있음을 확인했다. 세포의 DNA에서 생성되는 메시지를 통해 염증, 신경 간 통신 장애 및 신경 세포 구조의 안내와 관련된 유전자 발현에 수백 가지의 변화가 발견됐다. 그러나 이러한 영향이 알츠하이머 병에 어떻게 관여하는지 정확히 파악하려면 추가 연구가 필요하다. 이 연구는 인공지능(AI)을 사용해 실데나필이 인구 수준에서 작용하는 징후를 찾는 것이다. 이전 연구에서는 의료 보험 데이터를 사용해 실데나필이 알츠하이머병의 위험을 최대 60%까지 낮출 수 있다는 사실을 발견했다. 연구팀은 데이터 분석에 PH에 일반적으로 처방되는 네 가지 치료법을 포함시켜 실데나필이 알츠하이머 위험을 약 60% 감소시키는 것을 확인했다. 그럼에도 이번 연구는 단일 보험 데이터베이스에만 의존했기 때문에 다른 변수를 놓쳤을 가능성이 있다는 지적이 제기됐다. 또한, 이 연구에서는 폐 고혈압 또는 폐 고혈압(PH) 치료를 받는 환자의 치매 위험 감소가 동일하게 나타나지 않는 것으로 나타났다. 클리블랜드 클리닉 생의학 정보학자이자 공동 제1저자인 페이시옹 쳉(Feixiong Cheng)은 "방대한 양의 데이터를 컴퓨터로 통합한 후, 실데나필이 인간 신경세포에 미치는 영향과 실제 환자 치료 결과를 확인하게 되어 보람을 느낀다"고 말했다.
- 생활경제
2024-03-26 17:32:00
신경과학자, AI 활용해 학습·의사결정 과정 맵핑⋯뇌 작동 방식 밝혀내

신경과학자들이 인공지능(AI)을 활용해 강화학습과 의사결정 과정을 매핑해 뇌의 작동 방식을 밝히고 있다. 강아지는 "앉아"라는 명령을 듣고 시행착오와 반복, 칭찬을 통해 무엇을 해야 하는지 배우게 된다. 이것이 바로 '강화 학습(reinforcement learning)'이다. 플로리다 대학 허버트 워트헤임 스크립스 연구소(Herbert Wertheim UF Scripps Institute for Biomedical Innovation & Technology)의 신경과학자 료마 하토리(Ryoma Hattori) 박사는 강화학습에 매료돼 일관적인 연구를 하고 있다. 그는 강화 학습을 이해하고 맵핑하는 연구를 진행하고 있으며 뇌가 어떻게 정보를 통해 결정을 내리는지, 또 뇌가 어떻게 정보를 통합하는지 연구한다. 미국 건강 의학 매체 메디컬익스프레스(MedicalXpress)는 23일(현지시간) 인간의 뇌는 약 860억 개의 뉴런으로 구성되어 있으며, 이 뉴런들은 100조 개 이상의 연결을 형성하고 있는 매우 복잡한 구조라고 전했다. 하토리 박사는 의사 결정 과정에는 많은 요소들이 영향을 미친다고 말했다. 간단한 식당 선택만 해도 기억과 판단의 복잡한 행렬을 통해 이루어지기 때문에 여러 뇌 영역이 동원된다. 어떤 식당은 음식과 서비스가 좋지만, 그렇지 않은 식당도 있다. 가격도 어떤 곳은 비싸고 어떤 곳은 저렴하다. 경험은 결정을 내리는 데 필요한 가치를 부여하고 고려해야 하는 입력 자료를 제공한다. 하토리 박사는 "이 모든 과정을 통합하는 것은 매우 어려운 일이지만, 우리 뇌는 어떻게든 그렇게 한다"며 이 과정의 기저 메커니즘을 이해하는 것이 정신질환 및 자폐 스펙트럼 장애 치료에 중요한 단서가 될 수 있다고 주장했다. 그는 "많은 정신질환과 신경계 질환은 의사결정 기능 일부가 손상되는 것을 특징으로 한다"고 설명했다. 여러 뇌 영역이 상호작용해 보상 경험을 처리하고 의사결정을 유도하는 방식을 모델링하는 것은 흥미로운 도전이다. 하토리 박사는 데이터 수집을 위해 대규모 2광자 이미징, 가상현실 기반 실험, 신경 활동 조작을 위한 빛을 사용하는 방법인 광유전학 등 다양한 연구 기법을 사용한다. 또 계산 모델링이 점점 더 복잡한 동물 행동과 뇌 동태를 이해하는 데 중요한 도구가 되고 있다고 말했다. 하토리 박사와 그의 연구팀은 연구를 돕기 위해 인공지능을 개발하고 있다. 인공지능은 신경과학 발견을 발전시키는 데 도움을 주고, 신경과학 발견은 또한 인공지능 개선에도 도움을 줄 수 있다. 그는 "뇌와 인공지능은 모두 신경 활동 역학과 시냅스 가소성을 이용하여 연산 및 학습을 수행하는 신경망으로 구성되어 있다"며 "이들은 외부 입력을 받고 정보를 처리하여 행동을 출력하고 이 행동의 결과는 네트워크 학습을 유도한다. 이러한 유사성은 특정 행동에 대한 신경망 모델로 인공지능을 사용할 수 있는 기회를 제공한다"고 밝혔다. 하토리 박사는 막스 플랑크(Max Planck)의 과학 감독인 료헤이 야수다(Ryohei Yasuda) 박사와 공동으로 최근 '자연 신경과학(Nature Neuroscience)' 저널에 일반화된 지식 획득에서 궤도전두피질이라는 뇌 영역의 역할에 대한 논문을 발표했다. 연구팀은 쥐가 새로운 환경에 적응하면서 다양한 시간 규모의 다중 레이어 학습이 작용하는 것을 발견했다. 쥐의 학습 메커니즘은 인공지능 연구자들이 개발한 강화 학습 컴퓨터 모델과 유사했다. 하토리 박사는 "우리는 인공지능으로부터 뇌 메커니즘에 대한 통찰력을 얻을 수 있으며 또한 의사결정과 학습을 위한 뇌 메커니즘을 더 잘 이해함에 따라 이 지식을 인공지능 모델로 이전할 수 있다"라며 "내 연구 프로젝트가 뇌 이해에 기여하고 기계 학습 커뮤니티에서 더 나은 성능을 발휘하는 인공지능 개발에 기여하기를 바란다"고 말했다.
- IT/바이오
2024-02-24 08:21:00
생쥐용 VR 고글 개발, 뇌 연구의 새로운 장을 열다

생쥐를 위한 새로운 가상현실(VR) 고글이 개발됐다. 이 고글은 기존 VR 시스템이 가진 단점을 개선하여, 생쥐가 가상 환경에 완전히 몰입할 수 있도록 설계됐다. 이를 통해 생쥐의 뇌 활동 패턴을 보다 정확하게 관찰할 수 있을 것으로 기대된다. 과학 전문매체 아이에프엘 사이언스(IFL SCIENCE)에 따르면 미국 노스웨스턴 대학교 연구팀이 새로운 VR 고글을 개발했다. 이 고글은 생쥐의 행동을 뇌 회로와 함께 연구하는데 사용될 예정이다. 기존의 VR 시스템은 컴퓨터 화면을 사용하여 생쥐가 화면 주변을 볼 수 있었으나, 3D 깊이를 제대로 전달하지 못하는 등의 제약이 있었다. 또한, 머리 위 위협을 시뮬레이션하는 데에도 한계가 있었다. 새로운 VR 고글은 이러한 문제점들을 해결하여 생쥐의 행동과 뇌 활동 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 연구팀이 개발한 생쥐용 미니어처 VR 고글은 각 눈에 하나씩 두 세트의 렌즈와 스크린으로 구성되어 있다. 이 렌즈와 스크린은 트레드밀 위의 생쥐의 얼굴 가까이에 배치되어 각 눈에 180도 시야를 제공한다. 생쥐 맞춤형 VR 시스템의 이름은 iMRRSIV(Miniature Rodent Stereo Illumination VR, 미니어처 설치류 입체 조명 VR)이다. 인간 VR 헤드셋과 달리 이 고글은 실제로 생쥐의 머리를 감싸지 않는다. 각 눈에 하나씩 두 세트의 렌즈와 스크린을 런닝머신에 있는 동물의 얼굴 가까이에 배치하여 각 눈에 180도 시야를 제공한다. 보다 전통적인 VR 시스템을 사용하여 몇 가지 흥미로운 통찰력을 얻었지만 쥐는 화면 주변을 볼 수 있으며 이로 인해 훈련이 더 어려워졌다. iMRRSIV는 큰 발전을 이루었다. 새로 개발된 고글을 사용하면 연구 대상인 생쥐들이 가상 환경을 자유롭게 탐색할 수 있다. 연구자들은 이를 통해 생쥐가 가상 환경에서 어떤 행동을 하는지 관찰함으로써, 생쥐의 뇌 작동 방식을 이해할 수 있다. 이 고글은 실험실에서 생쥐들의 행동을 뇌 회로와 연계하여 연구하는 데 사용된다. 기존의 VR 시스템은 생쥐가 주변 실험실 환경을 볼 수 있었지만, 새로운 VR 고글은 생쥐의 시야를 완전히 차단하여 더욱 깊은 몰입을 가능하게 한다. 이로 인해 d연구자들은 뇌의 활동 패턴을 보다 정확하게 관찰할 수 있게 됐다. 논문 수석 저자인 돔 핑케(Dom Pinke)는 "지금까지 실험실에서는 동물을 둘러싸기 위해 대형 컴퓨터나 프로젝션 스크린을 사용해 왔다. 인간에게 이것은 거실에서 TV를 보는 것과 같다. 여전히 소파와 벽이 보인다"라며 기존 VR의 단점을 설명했다. 그는 "우리는 여전히 개선 작업을 하고 있지만 우리 고글은 작고 상대적으로 저렴하며 사용자 친화적이기도 하다. 이를 통해 VR 기술을 다른 연구실에서도 더 많이 이용할 수 있게 될 것이다"라고 말했다. 예를 들어, 연구팀은 이 고글을 활용하여 생쥐가 포식자로부터 도망치는 행동을 연구했다. 연구팀은 생쥐용 VR 고글을 사용하여 머리 위의 위협을 시뮬레이션하며 실험에서 혁신적인 결과를 얻었다. 연구팀은 고글을 통해 생쥐의 시야 위에 어두운 원반을 투사하여 포식자를 시뮬레이션했다. 원반이 커질수록, 생쥐들은 도망치거나 얼어붙는 두 가지 다른 반응을 보였다. 돔 핑케는 "쥐의 시야는 새처럼 상공에 있는 포식자를 감지하는 데 매우 민감하다"면서 "이것은 학습된 행동이 아니라 쥐의 뇌에 각인된 행동이다"라고 말했다. 이 연구는 생쥐의 뇌에서 이러한 반응을 조절하는 신경 회로를 연구하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 연구는 생쥐의 본능적 반응과 생존 메커니즘에 대한 새로운 통찰력을 제공할 것으로 기대된다. 이러한 혁신적인 접근법은 생쥐의 뇌가 다양한 상황에 어떻게 반응하는지를 이해하는 데 큰 도움이 될 뿐만 아니라, 뇌 활동을 실시간으로 관찰할 수 있는 새로운 시각을 제공한다. 연구진은 앞으로 생쥐가 포식자에 의한 위협이 아닌 상황에서의 뇌 활동을 연구할 예정이다. 또한, 이 고글을 활용하여 뇌의 작동 원리를 더 깊이 연구하고, 다양한 동물을 대상으로 한 실험에도 활용할 계획이다. 이러한 혁신적인 연구는 VR 기술이 생물학과 뇌과학 연구에 미치는 긍정적인 영향을 보여주며, 이 분야의 접근성을 향상시킬 수 있는 가능성을 제시한다. 공동 제1저자인 존 이사(John Issa)는 "미래에는 쥐가 먹이가 아니라 포식자인 상황을 살펴보고 싶다"고 말했다. 그는 "예를 들어 파리를 쫓는 동안 뇌 활동을 관찰할 수 있다. 그 활동에는 많은 깊이 인식과 거리 추정이 포함된다. 이것이 바로 우리가 포착할 수 있는 것들이다"라고 말했다. 이 연구는 저널 '뉴런(Neuron)'에 게재됐다.
- IT/바이오
2023-12-21 17:51:00