인간과 기계의 연결에 있어서 보다 원활한 접속으로 이용될 수 있을지도 모르겠습니다.
중국 난징 의과대학에서 진행된 연구에 따르면 진짜 뉴런이 하고 있는 신경전달물질의 송수신을 재현하는 새로운 인공 뉴런을 개발하는 데 성공했다고 합니다.
새로 개발된 인공 뉴런은 단순히 전기 신호를 중계하는 것만이 아니라 진짜 뉴런과 마찬가지로 신경 전달 물질로 정보 전달이 가능해서 살아있는 뇌 세포나 운동 신경과 상호작용하는 것도 가능했습니다.
인공 뉴런 기술이 진보하면 몸이 마비된 사람들의 신경을 연결하거나 파워슈트 등 인공 장구류의 구동 부품에 신호를 보내는 등 폭넓은 활용이 전망됩니다.
그러나 신경전달물질과 같은 '생물'을 인공 뉴런은 어떻게 제어하고 있는 것일까요?
본 연구의 자세한 내용은 2022년 8월 8일 <Nature Electronics>에 게재되었습니다.
요약
- 진짜처럼 신경전달물질을 송수신할 수 있는 신형 '인공 뉴런'을 개발!
- 인공 뉴런으로 실험쥐 다리를 움직이는데 성공
- 인공 뉴런은 의료나 파워 슈트 개발에 이용할 수 있다
진짜처럼 신경전달물질을 송수신할 수 있는 신형 '인공 뉴런'을 개발!
뇌과학의 진보로 뇌와 기계를 직접 연결하는 브레인 머신 인터페이스(BMI)가 실현되고 있습니다.
브레인 머신 인터페이스는 뇌의 전기 활동을 수집해 기계에 전달함으로써 사고를 직접 기계의 움직임에 반영할 수 있게 됩니다.
예를 들어 이전에 진행된 연구에서는 뇌파나 뇌에 박힌 칩에서 뇌의 전기 활동을 수집해 뇌파만으로 놀 수 있는 게임이나 몸이 마비된 사람들이 뇌 속 칩을 통해 로봇 팔로 식사가 가능해진 것으로 보고되고 있습니다.
하지만 진짜 인체의 뉴런은 전기 신호뿐만 아니라 신경전달물질을 이용해 정보를 전달하고 있습니다.
따라서 전기신호에만 편중된 현재의 시스템에서는 뉴런이 송수신하는 정보의 해석을 잘못할 가능성이 있었습니다.
그래서 이번에 난징 의대 연구자들은 진짜 뉴런처럼 신경전달물질 송수신 기능을 더한 새로운 인공 뉴런을 개발하기로 했습니다.
연구에 관여한 Benhui Hu 씨는 뇌의 모국어는 화학 언어이지만 현재의 브레인 머신 인터페이스는 모두 전기 언어만을 사용하고 있습니다.
그래서 이번에 우리는 진짜 뉴런의 커뮤니케이션 방법을 재현하는 인공 뉴런을 고안했습니다.
하지만 진짜 뉴런과 같은 구조를 가지려면 ①신경전달물질 감지 ②시냅스의 가역성 ③신경전달물질 분비라는 세 가지 과정을 거쳐야 합니다.
(※ 진짜와 비슷한 뉴런을 만들려면 달라붙었다 하는(가역성이 있는) 시냅스를 만드는 기능도 필요합니다.)
연구자들은 대체 어떤 방법으로 세 가지 과정을 담았을까요?
인공 뉴런으로 실험쥐의
다리를 움직이는데 성공
도대체 어떻게 진짜 뉴런이 가지고 있는 세 가지 구조를 재현한 것일까요?
연구자들은 위의 그림과 같이 인공 뉴런을 세 부위로 나누었습니다.
그리고 한쪽 끝(그림의 왼쪽)에, 그래핀과 카본 나노 튜브로 이루어진 전극으로 만들어진 도파민 검지 센서를 배치했습니다.
도파민이 충분히 검지되면 중앙의 메모리 스타라고 불리는 부분이 반응하고 다른 한쪽 끝(그림의 오른쪽)에 배치된 도파민을 포함한 하이드로겔이 가열되어 도파민이 방출됩니다.
즉 신경전달물질인 도파민을 받아서 방출할 수 있는 구조를 만든 것입니다.
인공 뉴런이 완성되면서 연구자들은 즉시 생체 테스트에 돌입했습니다.
첫 번째 테스트는 실험쥐의 뇌세포였습니다.
연구자들이 인공 뉴런의 좌우 끝을 레트 뇌세포에 연결하면 뇌세포에서 분비된 도파민이 인공 뉴런으로 흘러들어와 인공 뉴런에서 뇌세포로 도파민이 분비되고, 나아가 뇌세포에서 도파민이 분비되는 루프 회로가 구성됐습니다.
또한 위 그림과 같이 마취로 잠재운 쥐의 다리 신경에 인공 뉴런을 연결하고 도파민 감지 센서에 도파민을 주었더니 쥐의 운동 신경을 자극하여 다리를 움직이는 데 성공하였습니다.
이들 뇌세포와 다리에 대한 실험을 통해 인공 뉴런이 생체 적합성을 갖는 것을 보여줍니다.
인공 뉴런은 의료나 파워 슈트
개발에 이용할 수 있다
이번 연구를 통해 진짜 뉴런과 마찬가지로 신경전달물질(도파민)로 정보를 전달하는 인공 뉴런이 개발됐습니다.
이 새로운 인공 뉴런은 뇌세포나 운동신경과 도파민을 통해 정보를 교환할 수 있어서 어느 정도의 생체 적합성을 가지고 있었습니다.
추가 연구에서는 위의 그림과 같이 인공 뉴런을 로봇 손에 연결해 제어할 수 있는 모습도 제시되어 있습니다.
연구자들은 인공 뉴런의 입력 신호에 운동신경을, 출력 신호에 구동부품으로 함으로써 파워슈트 등의 동작 보조장치의 자연스러운 동작이 실현 가능하다고 말합니다.
또한 인공 뉴런의 생체 적합성을 높일 수 있다면 신경 손상으로 인해 몸이 마비된 사람들의 뇌와 손발을 연결함으로써 다시 자유롭게 움직이거나 손발의 감각을 되찾을 수 있게 될지도 모릅니다.
연구자들은 이 새로운 "인공 뉴런을 사용한다면 다시금 훌륭한 일을 많이 할 수 있게 된다"라고 말합니다.
관련 원문은 아래 링크를 참고하세요.
A chemically mediated artificial neuron
https://www.stylec.co.kr/short/vNVHzFW3sr
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