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AI 공부를 위해서는 수학, 특히 수리논리학 에 대한 깊이있는 지식이 필요하고, 생물학적  접근을위해 심리학 과 신경계통의 생리학 이 공부되어야 한다.  최소한 C, Lisp, Prolog 와 기본적인 기계어를 배워야 하며, 최근에는 C++, Java 를 포함시켜야 할것이다. ( 존 매카시)

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불멸의 아바타 : 러시아 프로젝트는 인간의 두뇌를 가진 로봇을 만들고자 한다 : 조선일보, 2012/05/18  :  Source ... http://rt.com/news/prime-time/avatar-russian-scientists-brain-983/ : 제임스 카메론 감독의 아이디어에 고무되어서, 러시아 사업가는 자신의 아바타 계획을 개시했다. 수백명의 과학자들이 인간을 의식을 가지고 있는, 인간과 같은 로봇의 원형을 만드는데 관여하고 있다. 러시아 2045 운동을 만드는 과정에서, Dmitry Itskov는 새로운 행성을 탐험하기 위해서 아바타를 이용하는 의미는 아니라고 한다. 그의 최종 목표는 두뇌와 개성을 로봇의 몸체에 이식함으로써, 불멸이 가능하도록 만드는 것이다. 불멸의 프로젝트는 4단계로 이루어져 있으며, Zelenograd의 모스크바 교외에 있는 과학자 팀은 첫번째 단계에 대해서 연구하고 있다. 약 100명의 과학자들은 이미 처음의 계획에서, 함께 개념을 만들어내기 위해서 노력하고 있다. 그리고 Itskov는 앞으로의 단계동안 보다 많은 과학자들을 고용할 계획이다. 지금까지 과학자들은 두뇌와 컴퓨터 상호연결을 통해서 조절되는, 인간과 같은 로봇인 아바타-A를 만들기 위해서 노력하고 있다.  Itskov는 머신의 원형으로써 사용되게 되며, 그래서 로봇의 닉네임은 Dima이다. "그것은 실제 사람과 완벽하게 닮아야 한다."고 책임 디자이너인 Vladimir Konyshev는 설명한다. 회사의 홈페이지에 의하면, 프로젝트는 4단계로 이루어져 있다. 1단계는 인간 육체의 로봇 복사본을 만드는 것이 목적이며, 두뇌와 컴퓨터 인터페이스에 의해서 조절된다. 이 단계는 2020년에 완료될 예정이다. 2단계는 생의 말년에 인간의 두뇌가 이식되는 아바타를 만드는 것이다. 이 단계는 2025년에 완료될 예정이다. 3단계는 인공두뇌 (Artificial Brain) 를 가진 아바타를 창조하는 것이며, 인간의 개성과 의식이 생의 말년에 이식된다. 이 단계는 2030년에 시작해서, 2035년에 완료될 예정이다. 4단계는 홀로그램 아바타를 창조하는 것이다. 이 단계는 2040년에 시작해서, 2045년에 완료될 예정이다. "우리의 주요 목적은 개성을 보존하고 수명을 연장하는 것이다."고 Itskov는 RT에서 말했다. "과학자들은 만약 질병과 심장구조의 퇴행이 없다면, 우리의 두뇌는 2-3백년을 더 살 수 있다고 말한다.

사람 기억 심는 휴머노이드(인간형 로봇) 시대… 아바타도 만들 수 있다 : 조선일보, 김신영 특파원, 2011/12/31 : [2030 인류의 삶 미리보기] <1> 헤이워스 美하버드대 박사 인터뷰 .... 고해상도 현미경으로 쥐의 뇌 촬영, 3D로 재구성… 새겨진 기억들 탐색 이론적으로는 사람에도 적용 가능 .... "생명의 핵심은 정신과 의식이다, 진짜 永生 위해서 뇌 보존 필요… 머잖아 肉體 필요없는 시대 올 것" ....... “미래를 내버려두는 사람, 미래를 만들어가는 사람, 무슨 일이 일어났는지도 모르는 사람…미래를 대하는 인간은 세 종류로 나뉜다.” 미국의 사회학자 존 리처드슨의 말이다. 빠르게 발전하는 디지털 기술, 인간과 생명에 대한 패러다임의 변화, 그동안 등한시했던 달의 무한 가능성 등 수십 년 후 다가올 인류 미래의 모습을 5회에 걸쳐 추적한다. 앨빈 토플러, 존 나이스빗 같은 저명한 미래학자들이 회원으로 가입해 있는 세계미래학회의 미래 전망을 바탕으로 삼았다. 미국 케임브리지 하버드대의 뇌과학 연구소 'ATLUM'. 뇌과학자들이 빛이 들어오지 않는 지하 4층의 창 없는 연구실에서 전자현미경을 들여다보고 있다. 연구실 켄 헤이워스 (Kenneth Hayworth) 박사는 샬레(실험용 유리 접시)에 담긴 투명 테이프 위에 붙은 얇고 검은 얼룩들을 가리켰다. "현미경으로 보기 편하도록 4나노미터(1나노미터는 10억분의 1m) 두께로 얇게 잘라낸 쥐의 뇌입니다." 헤이워스 박사는 쥐의 뇌를 고해상도 전자현미경으로 확대해 뇌를 구성하는 신경세포를 촬영한 다음 이를 3D 디지털 이미지로 재구성한다. "아주 작은 부분이기는 하지만 이것으로 쥐의 뇌에 새겨진 기억의 흔적을 살펴보는 겁니다. 이론적으로는 인간의 뇌에도 적용 가능한 방식이지요." 헤이워스 박사가 회장을 맡고 있는 '뇌 보존 재단 (Brain Preservation Foundation)'은 인간의 뇌를 효율적으로 보존할 수 있는 방법을 찾기 위한 콘테스트를 진행 중이다. 이들은 뇌 (Brain) 의 신경세포인 '뉴런 (Neuron)' 과 이를 연결하는 '시냅스 (Synapse)' 를 손상하지 않고 뇌를 보관한다면, 사람의 의식 (Consciousness) 도 소멸하지 않고 영원히 살아남을 수 있다고 믿는다. 이 프로젝트엔 하버드대·매사추세츠공대(MIT)·영국 리버풀대 등의 저명한 뇌과학자들이 참여하고 있다. 대형 포유류의 뇌를 완벽하게 저장하는 팀에겐 10만달러(약 1억1500만원)의 상금이 주어진다. 헤이워스 박사를 지난달 초 하버드대 연구실에서 만났다.

―왜 인간의 뇌와 의식을 보존하려고 하나.

"나의 연구는 인간과 삶, 그리고 죽음이란 무엇인가 하는 질문에서 시작된다. 유전자를 추출해 복제인간을 계속 만든다고 해서 자신이 영원히 산다고 생각하는 사람이 있을까. 인간 생명의 핵심은 결국 정신 (Mind) 과 의식 (Consciousness) 이다. 정신이 계속 살아남는다면 인간의 생명은 연장될 수 있다는 뜻이다. 음악이 적혀 있는 악보의 종이가 낡으면, 음표만 다른 오선지에 옮겨 적으면 되는 것과 같은 원리다. 지금까지 과학과 의학계는 몸의 수명을 늘리는 방법을 연구하는 데 주력해 왔다. 그러나 나는 지금의 기술로는 정신의 지속성을 연장하는 방법이 훨씬 효율적이라고 생각한다."

―뇌를 물리적으로 저장만 하면 인간의 기억을 언제고 꺼내 볼 수 있다고 믿는 건가.

"뇌과학자들은 인간의 의식을 뇌의 신경세포들이 상호 작용해 만들어내는 물리적 현상으로 본다. 이 사실을 반박하지 못할 만큼 방대한 연구 결과들이 쏟아져 나오고 있다. 우리가 누군가의 전화번호를 외운다고 치자. 번호를 듣는 순간 뇌의 특정 뉴런들이 전기를 방출하면서 다른 뉴런에 신호를 보낸다. 자극을 보낸 뉴런과 받은 뉴런 사이에는 단백질이 모여 만들어진 물리적인 연결 끈이 형성된다. 인간의 뇌에는 약 10조개의 뉴런이 존재하며, 각각의 뉴런은 평균 약 1만개의 연결 끈을 형성한다. 이 수많은 연결 구조가 바로 기억이다. 만약 어떤 뉴런이 어떤 기억에 관여하는지를 모두 알아내고, 이 연결 네트워크를 재생할 수 있다면 기억과 의식도 되살려낼 수 있다. 네트워크의 복원과 의식의 재생은 모두 디지털로 이뤄진다."

―조금 전 쥐의 뉴런과 연결 구조를 현미경으로 들여다보지 않았나. 인간의 뇌도 똑같은 방식으로 재구성하면 안 되나.

"쥐의 뇌를 관찰 가능한 상태로 만들기 위해 우리 연구팀은 수분(水分)을 모두 빼내고 뇌를 고체로 고정하는 물질을 투입해야 했다. 이 과정에서 극도로 독성을 지닌 화학물질이 살아 있는 쥐에 투여된다. 아무리 사망 직전의 인간이라고 해도 사람에겐 적용할 수 없는 방식이다. 뇌 보존 재단의 콘테스트는 안전하면서도 효율적으로 뇌 전체를 저장하는 방법을 찾기 위해 시작됐다."

―인간의 뇌에 대한 연구는 초기 단계 아닌가. 기억의 재생까지 수백 년 걸릴 것 같다.

"뇌과학자들은 뇌에 관한 많은 사실을 빠르게 알아내고 있다. 수백 개의 인지과학 연구소가 참여 중인 'ACT-R' 이라는 뇌 반응 연구는 뉴런의 활동을 측정해 한 사람이 어떤 계산 착오를 일으킬지 예측하는 단계까지 발전했다. 스위스 로잔공대 뇌·정신 연구소의 프로젝트 '블루 브레인(푸른 뇌, Blue Brain Project)' 연구팀은 포유류의 뇌와 비슷한 방식으로 작동하는 컴퓨터 모델을 만들어냈다. 뇌과학계도 이미 디지털 시뮬레이션을 통해 뇌가 어떻게 작동하는지에 대해서는 많은 지식을 축적한 상태다."

―뇌를 저장한 후 디지털로 뉴런과 연결 네트워크를 되살려 의식을 복원했다고 치자. 몸은 어떻게 하나. 몸이 없는 정신은 의식만 깨어 있는 식물인간처럼 비참할 텐데.

"이미 인공지능 (Artificial Intelligence) 으로 움직이는 로봇이 개발되지 않았나. 뇌의 신호를 통해 작동이 가능한 인공 팔과 다리도 상용화했다. 뇌를 저장해 기억을 완전히 복원하는 시기가 되면 디지털 의식으로 조종이 가능하며 인간의 몸과 유사한, 자연스러운 휴머노이드(인간형 로봇)가 만들어질지도 모른다. 혹은 물리적인 아날로그 몸이 아예 필요 없어질 가능성도 있다. 지금의 기억과 의식을 통해 가상의 디지털 세상에서 가상의 '나'를 움직이며 살아갈 수도 있다는 뜻이다."

인공지능 vs. 인공지능 : 두개의 챗봇이 서로 대화하다 : Cornell Creative Machines Lab, Hod Lipson : .... 인공지능대 인공지능 실행 ...  채팅로봇 (chatbot, 챗봇) 은 chatbot, text-to-speech synthesizer, avatar renderer 의 3가지 구성요소가 결합하여 작동된다. 챗봇은 인간의 대화능력을 흉내내도록 설계된 기계로서, 인간과 대화할때 기계가 아닌 마치 인간과 대화하는 것처럼 착각하게 만들려고 시도한다. 그렇게해서 어리석게도 그 인간이 기계를 사람으로 착각한다면 유명한 지능 테스트인 튜링 테스트 (Turing Test) 를 통과하는 것이 될것이다. Alan Turing 이 60년전에 그 제안을 한 이래로, 기계가 튜링테스트를 통과할수 있는지 여부가 논란이 되어왔다. 그런 종류의 세계 최초의 챗봇은 ELIZA 라는 프로그램으로 1960년대의 인공지능 초기에 만들어졌다. 그러나 이러한 종류의 챗봇은 대화능력이 상당히 떨어지는 편이다. 그래서 계속 더 스마트하며 학습이 가능한 챗봇으로 개선시켜 왔으며 그중 하나가 Cleverbot.com 으로 알려진 클레버봇이다. Existor 를 경영하고 있는 인공지능 전문가 Rollo Carpenter 가 만든 클레버봇은 계속적인 학습이 가능하며, 조만간 우리가 기대한것을 뛰어넘는 새로운 능력을 가진 챗봇으로 발전하여 튜링테스트를 통과하려고 시도할 것이다 (Loebner Prize). 음성합성 (text-to-speech synthesizer) 시스템은 챗봇이 만들어낸 텍스트를 들을수 있는 말로 바꾸는 것이다. 이러한 시스템은 여러가지가 있으나 우리는 사용하기 쉽고 쓸만한 음을 내는 Acapela 를 선택했다. 아바타 (avatar renderer) 는 캐릭터의 몸짓과 입술의 움직임을 사운드와 일치시키도록 만들어졌으며 여기서는 Living Actor Presenter 를 사용하였다. 이러한 3가지 구성요소를 결합하여 하나의 기계 (두개의 스크린을 가진) 로 만들어 사용자와 대화가 가능하도록 만들기위해 Python 을 사용했다. 즉 첫번째 기계의 출력을 두번째 기계의 입력으로 넣고, 두번째 기계의 출력을 첫번째 기계의 입력으로 연결했다. 그래서 끊임없이 이어지는 코믹한 로봇의 대화를 만들수 있었다.

사람처럼 생각하고 판단하는 컴퓨터 나온다 : 조선일보, 김신영 특파원, 2011/08/20 : ... IBM, 우뇌 기능 겸비… 혁신적 컴퓨터 칩 개발 ... 컴퓨터 (Computer) 는 수백조 단위의 계산을 한 치의 오차도 없이 척척 해내지만 사람 얼굴을 알아보는 실력은 형편없다. 같은 사람이 박장대소하는 사진과 인상 쓴 사진 2장을 보여주면 이를 다른 사람이라고 판단한다 (패턴인식 (Pattern Recognition)). 신호등의 색이 달라지는 것에 따라 차를 멈추거나 출발하도록 컴퓨터를 프로그램할 수는 있다. 그러나 컴퓨터는 인간과 달리 신호를 지키지 않고 길을 건너는 아이를 보고 멈춰 서야 한다는 자체적인 판단을 내리지는 못한다. 입력된 정보와 명령에만 반응하기 때문이다 (휴리스틱 (Heuristic), 인공지능 비판 (AI Critique)). ... ◆우뇌 능력 겸비한 새 컴퓨터 (인공지능 (Artificial Intelligence)) ... IBM 이 인간의 뇌와 비슷한 컴퓨터의 초기 모델을 개발해 17일 발표했다. 입력된 정보를 저장하고 처리하는 능력만 지닌 지금까지의 컴퓨터와는 작동 방식이 완전히 다르다. 인간의 뇌를 본떠 만든 컴퓨터 칩 프로젝트 '시냅스(SyNAPSE)' 연구를 이끌고 있는 다르멘드라 모다 (Dharmendra Modha) 박사는 "지금까지의 컴퓨터가 계산 능력을 지닌 좌뇌(左腦)의 영역에 편중돼 있었다면, 새로 개발된 컴퓨터 칩은 판단하고 배우고 스스로 정보를 수집하는 우뇌(右腦)의 능력을 겸비했다"고 말했다. 모다 박사는 지금의 컴퓨터가 일하는 방식을 버스로 정보를 실어나르는 과정과 비교했다. 초기 컴퓨터 개발자의 이름을 따 '폰 노이만 시스템'이라 불리는 컴퓨터의 자료 처리 과정은 크게 셋으로 나뉜다. 정보를 저장하는 '메모리'와 정보를 처리하는 '프로세서' 영역이 분리돼 있고 그 사이를 '데이터 버스'라 불리는 회선이 연결한다. 컴퓨터 능력을 향상시키기 위해 연구자들은 지금까지 더 큰 메모리, 더 빠른 프로세서, 더 효율적인 데이터 버스를 만드는 데 주력해 왔다. ... ◆스스로 배우고 판단하는 기능도 (기계학습 (Machine Learning)) ... 모다 박사는 "'시냅스' 프로젝트는 한 방향으로만 진행돼 온 컴퓨터의 발전 방식을 멈추고, 완전히 다른 원리로 작동하는 컴퓨터를 만들기 위해 시작됐다"고 말했다. 인간의 뇌 (Brain) 는 약 1000억개의 뉴런(신경세포)이 시냅스라 불리는 1000조개의 정보 전달 채널을 통해 소셜네트워크처럼 서로 소통하는 방식으로 작동한다. IBM이 17일 발표한 컴퓨터 칩은 인간의 뇌 구조를 본뜬, 256개의 실리콘 뉴런으로 구성됐고 이들은 수십만 개의 디지털 시냅스를 통해 연결돼 있다. 모다 박사는 "컴퓨터가 입력된 정보를 통해 확률적으로 날씨를 예보하는 대신, 기압과 기온 등의 정보를 필요에 따라 자체적으로 수집해 날씨를 예측 할 수도 있게 될 것"이라고 말했다. 시냅스 프로그램엔 100여명의 연구진과 미 방위고등연구계획국(DARPA)이 지원하는 4100만달러(약 445억원)의 연구비가 투입됐으며, DARPA는 인간의 뇌를 본뜬 컴퓨터 칩의 초기 모델이 공개된 17일 2100만달러를 추가로 지원키로 했다고 발표했다.

[KAIST 비전]뇌의 비밀을 파헤치는 4가지 방법 ... 뇌에 전극 꽂고, 칩 위에 신경세포 얹고 :  동아일보, 장하진,·김남욱 학생기자, 2011/07/27 :  인간의 모든 행동을 지배하고 있는 최고 중추임에도 불구하고 아직까지 밝혀지지 않은 부분이 많은 신비한 우리의 뇌 (Brain). ‘생물학의 마지막 프론티어’ 라는 말이 있을 정도로 복잡해서 과학자들은 저마다 다양한 방법으로 뇌의 활동을 설명했다. 최근에는 여러 가지 접근방법을 종합하여 융합학문으로서의 뇌과학 이 각광받고 있다. 다양한 접근방법들이 모두 복잡하고 정교한 뇌의 한 측면을 보여주기 때문에 이들을 모두 종합해야 뇌를 온전히 이해할 수 있기 때문이다. 과학의 최전선에서 생명 최고의 신비를 파헤치느라 여념이 없는 KAIST 바이오 및 뇌공학과 를 찾았다. 바이오 및 뇌공학과 에서는 생물 의학을 기초로 전자공학, 컴퓨터공학, 나노 기술 등이 적용된 복합 학문을 수학하고 그에 기반한 연구들을 진행 중이다.

● 뇌의 기본 원리를 해부한다. 인지행동신경학 -정용 교수

뇌 기능이 복잡하다지만 작동에 필요한 기본 원리라는 것이 존재하기 마련이다. 바이오 및 뇌공학과 정용 교수의 인지행동신경학 연구실에서는 뇌의 네트워크를 구현하기 위한 데이터를 수집한다. 사람의 뇌에서 얻을 수 있는 뇌파와 영상데이터는 물론, 실험 동물로부터 얻은 해부학적 정보를 체계적으로 정리하는 연구를 진행하고 있다. “기본적으로는 엔지니어링보다는 과학적 원리를 탐색하는 데 중점을 두고 있습니다. 그러고 나서야 핵심 원리를 기반으로 뇌질환을 치료할 수 있는 접근 방법도 개발할 수 있지요.” 정 교수의 연구실에서는 살아있는 동물의 뇌 신호를 분석하는 연구에 중점을 두고 있다. 신경신호를 잡아내기 위해 쥐의 뇌에 한두 개에서 많게는 10개 이상의 전극을 꽂는다. 전극으로 직접 포착한 신호는 발생 타이밍과 지속시간을 정확하게 알아낼 수 있지만 일부의 신경신호만을 탐지하기 때문에 공간적인 신호전달 관계를 파악하기 어렵다. 이를 보완하는 방법이 바로 뇌에서 일어나는 신경신호의 흐름을 영상으로 관찰하는 것이다. 이 영상은 비유적 의미의 영상이 아니라 말 그대로 실제 뇌 세포의 모습이다. 즉 실험 대상인 쥐의 두개골을 절개하여 뇌를 직접 들여다볼 수 있는 ‘창문’을 내는 것. 이 창문으로 신경세포의 성장과 움직임, 혈류의 흐름 등 현미경 수준에서 관찰할 수 있는 현상을 생생하게 파악할 수 있다. “뇌를 공부한다는 것은 자기 자신을 공부하는 것과 같습니다.” 정 교수는 뇌 연구가 방법론이 굉장히 다양해서 마치 자아를 탐구하는 철학적인 연구와 비슷하다고 강조한다. 정 교수의 연구처럼 분자나 세포수준에서 접근하는 경우도 있고 시스템적인 측면에서 세포간 네트워크를 탐구하기도 하며 전기신호의 공학적 특성, 인공지능 모델링, 심리학 등 과학과는 별 관계가 없을 것 같은 분야까지도 동원되고는 한다. 그래서 ‘인간은 무엇인가?’ 와 같은 철학 적인 질문에 대한 해답이 과학에서 나올 것으로 기대하는 사람들도 많다.

● 생명 연구의 강력한 무기, 생체광기술학 - 정기훈 교수

‘Photon’이란 광자, 즉 빛의 입자를 말한다. 그렇다면 ‘Bio Photonics’는 무엇일까? 말 그대로 빛과 생물학을 연결한 연구분야다. 즉 레이저나 분광 같은, 연구방법론으로서 빛을 사용하는 분야는 광기술학(Photonics) 에 의생명과학 을 결합한 학문이 생체광기술학 이다. 정기훈 교수의 연구실에서는 미소 시료로도 효과적인 연구를 할 수 있도록 광학 기술을 향상시키는 연구를 수행중이다. 정 교수의 연구실의 연구과제는 간단히 말해서 내시경이다. 그러나 이 내시경은 특별하다. 나노 기술을 기반으로 생명체의 감각기관을 모사하여 만들어 낸 고성능 내시경이다. 일반적으로 내시경에는 렌즈나 거울 같은 광학소자들이 많이 들어가는데 정밀연구에 사용하려면 이러한 광학소자들을 성능저하 없이 소형화할 수 있어야 한다. 문제는 광학소자의 한계상 축소에 한계가 있다는 것. 실제로 광학현미경은 서로 근접해있는 두 점이나 선을 분별할 수 있는 분해능이 전자현미경에 비해 1000배 이상 떨어지기 때문에 미세한 구조를 관찰하기에 적당하지 않다. 정 교수는 광학현미경의 한계를 보완하기 위해 반딧불의 겹눈을 공학적으로 모사하고 있다. 반딧불이의 겹눈은 여러 개의 작은 눈이 각각 다른 각도의 빛을 받아들여서 여러 방향을 한 번에 볼 수 있다. 따라서 하나의 대상을 여러 각도로 동시에 볼 수 있어서 광학소자의 분해능 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 정 교수는 나노기술을 활용하여 광소자와 광센서를 개발하는 연구도 병행하고 있다. 금속의 나노 입자 표면에는 금속 내 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자인 플라스몬이 국부적으로 존재한다. 이 입자들은 가시광선-근적외선 대역의 빛을 흡수하여 각각의 입자들이 선명한 색을 띤다. 금속 입자의 크기에 따라 플라스몬이 흡수하는 파장 영역이 달라져서 색깔이 달라진다는 사실을 이용하여 디스플레이 도구를 개발할 계획이라고 한다. “반딧불이의 광 감각기관을 나노 바이오 기술로 모사해서 만드는 한편, 나노 금속 입자의 플라스모닉스에 초점을 두어 연구하고 있습니다. 우리의 연구가 훗날 획기적인 이미징 도구를 탄생시킴으로써 생명공학의 발전에 기여할 수 있을 것입니다.” 생체 광기술학이 바이오 공학의 핵심분야로 자리잡는 것이 정 교수의 희망이다.

● 휴보에게는 뇌를, 인간에게는 안전한 약을! 뉴런온어칩 -남윤기 교수

“뉴런온어칩? 칩 위에 신경세포를?” 남윤기 교수의 연구과제인 뉴런온어칩을 처음 접했을 때 대다수의 반응은 ‘의아함’일 것이다. 인공판막, 인공관절, 의족 등 생명체에 이상이 생겼을 때 보조역할로 기계를 사용하는 경우는 현실에서 심심치 않게 접할 수 있다. 하지만 반대로 기계에 생물의 신경세포를 이식하는 것은 ‘사이보그’와 같이 SF소설의 소재로 사용될 만한, 현실에서는 생소한 상황이다. 기계와 신경세포라는 이질적인 조합을 이해해보고자 남 교수에게 직접 연구내용에 대한 설명을 들어보았다. 연구의 핵심 목적은 체외에서 신경세포를 연구하는 것이다. 뇌 는 생명체에서 중추역할을 하기 때문에 뇌에 직접적인 변인을 가해 연구를 하기에는 생명체에 큰 위험을 줄 뿐 아니라 윤리적으로도 비판의 여지가 있었다. 그래서 인간의 뇌에 대한 정보는 죽은 사람의 뇌나 뇌파를 통해 간접적으로 얻는 정도가 전부였다. 하지만 남 교수의 연구가 성공한다면 실험실 환경에서 대뇌와 비슷한 환경을 조성하여 연구용 ‘인공 뇌’를 구현할 수 있다. 연구대상에 위험을 가하지 않고도 자유롭게 뇌를 연구할 수 있는 길이 열리는 것이다. 현재 연구중인 뉴런온어칩은 머리카락 굵기의 10분의 1크기 전극센서가 60개 있는 칩 위에 쥐의 신경세포를 놓고 인큐베이터로 체내와 같은 환경에서 21일에서 한 달여간 키운 것이다. 이 때 신경세포는 증식하고 성장하면서 실제 뇌에서와 유사하게 서로간의 네트워크를 형성한다. 이렇게 만든 뉴런온어칩에 전극센서를 이용하여 신경세포가 외부조건에 반응하는 방법과 네트워크의 발전에 따라 신호전달이 어떻게 변화하는지 관찰할 수 있다. 이와 유사한 연구를 하는 연구실은 세계적으로 100여개가 존재하는데 이 연구실의 독특한 점은 신경세포 네트워크를 직접 설계할 수 있다는 것이다. 살아있는 신경세포는 회로 위에 발라주는 바이오 물질을 따라 자라는데, 이를 이용하여 설계도를 그리듯 바이오 물질을 칩 위에 발라서 원하는 회로를 얻을 수 있다. 남 교수는 고차원적인 신경세포 연결을 구현하여 뇌의 네트워크를 모사하는 것이 연구의 최종 목표라고 한다. 이런 연구가 우리 삶에 어떤 영향을 미칠 수 있을까? 우선 신약개발에서 뇌에 대한 약의 부작용을 검사할 수 있는 간편하고 값싼 테스트베드의 역할을 할 수 있다. 현재 신약의 부작용 검사는 실험용 동물을 통한 임상실험이 주를 이루고 있는데, 칩이 이를 대체한다면 비용을 대폭 절감할 수 있을 뿐 아니라 윤리적으로도 안전하다. 신경세포 (Neuron) 의 네트워크를 고도로 발달시키면 뇌를 그대로 모방한 인공지능 으로 발전할 가능성도 있다. 인공 뇌를 통해 인간과 더 가까워질 휴보를 조심스럽게 기대해본다.

● 자연으로부터 배운다, 시스템생물학과 바이오영감공학 -조광현 교수

20세기까지의 생물학은 환원론 (Reduction)이 지배했다. 생물을 작은 단위로 쪼개어 연구하면 생명의 모든 비밀을 알아낼 수 있으리라 생각했던 것이다. 그러나 분자도 모자라 원자 차원에서 생명현상을 연구하는 지금, 생물은 단순한 부분의 합 이상이라는 사실이 분명하게 드러났다. 조광현 교수는 시스템생물학과 바이오영감공학은 이러한 반성에서 출발한 학문이라고 한다. 시스템생물학은 한 가지 형태로 발현되는 생물학적 현상이 여러 인자들의 복잡한 상호작용의 결과라는 전제에서 출발한다. 최근 조 교수가 관심을 두는 연구는 다양한 원인을 고려하여 질병을 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하는 것. 현재 여러 병원들과 함께 컨소시엄으로 정신분열증에 대한 뇌파를 연구하여 뇌신경 네트워크를 모델화하고 있다. 또한 신경정보학(Neuro-Informatics) 연구사업단에서는 도파민성 뇌질환을 모델화하는 연구를 진행하고 있다. 수학적 모델을 확립하면 다양한 조건에 따른 시뮬레이션을 해볼 수 있기 때문에 특정 환자의 개인 검사자료를 모형에 대입하여 맞춤형 치료를 제공할 수 있다. 문제는 생명현상이 매우 복잡한 만큼 수학적 모델도 복잡하여 많은 연산이 필요하다는 점이다. 이 때문에 시스템생물학에서는 클라우드 컴퓨팅을 활발하게 이용하기도 한다. 바이오영감공학은 현재 생명체를 수많은 환경변화에서 살아남은, 진화적으로 최적화된 시스템이라고 보는 데서 출발한다. 정밀한 분석을 통해 생명체를 살펴보면 기존에 미처 생각하지 못했던 새로운 개념의 공학적인 설계원리들이 존재하고 이것에 영감을 얻어서 공학시스템에 맞게끔 응용하는 학문이라는 의미에서 지은 이름이라고 한다. 대표적인 사례가 인체의 복구 시스템이다. 생명체는 햇볕에 의한 피부세포의 DNA파괴와 같은 외부손상을 자동적으로 복구할 수 있는 시스템을 갖추고 있다. 이로부터 영감을 얻어 스스로 고장을 복구하는 전자회로를 개발하여 현재 간단한 수준에서는 성공했다고 한다. 이 기술을 발전시키면 사람의 손이 닿기 힘든 우주나 극지 연구에 효과적으로 사용될 수 있을 것이다. 생명의 근원과 인류의 진화에 대한 궁금증을 풀기 위해 노력하는 조 교수의 연구가 생명의 근원에 대한 이해에 한 발짝 더 다가서는 데 발판이 될 것이다.

뇌가 원하는 '학습 순서' : 조선일보, 이수영 KAIST 전기및전자공학과 교수(뇌과학연구센터 소장), 2011/05/19 : 우리나라 중고생의 학업 능력은 세계적으로도 선두 그룹에 든다. 하지만 대학생이 되면 이야기가 달라진다. 교육 개혁 목소리가 끊이지 않는 것도 주로 이런 사정에서다. 하지만 개혁이 개악(改惡)을 답습하지 않기 위해서는 학습 (Learning) 의 중추인 뇌 (Brain) 가 공부하는 법을 알아야 한다. 자동차의 작동 원리도 모르고 무작정 운전 교습 진도를 나갈 수야 없지 않은가?  뇌는 뭔가를 배우면 신경세포 사이 연결고리인 시냅스 (Synapse) 가 바뀌게 된다. 이 시냅스 수는 출생 후 급증세를 보이는데, 3~5세를 정점으로 서서히 둔화된다. 7세 정도가 되면 그 수가 성인 수준이 된다. 초기엔 다양하게 발달하다가 점차 필요한 시냅스만 선택적으로 효율성 있게 자리를 잡아가는 것으로 보인다. 뇌의 발달 속도만 해도 영역마다 다르다. 시청각이나 신체감각을 담당하는 부위가 먼저 발달하고, 이들을 연결해 판단을 내리는 전두엽 (Frontal Lobe) 부분은 천천히 발달한다. 이 영역은 청소년기를 넘어 20대까지도 발달이 진행된다. 창의성 (Creativity) 이란 여러 지식을 종합해 새것을 만드는 능력이다. 이런 능력을 극대화하기 위해서는, 아동기에는 다양한 자극으로 두뇌 전반을 골고루 발달시키고, 청소년기에는 종합능력을 키워야 한다. 특히 감각기능을 자극하는 음악·미술·체육과 책읽기·여행은 아동기에 좋다. 청소년기 이후에는 다양한 정보의 융합과 상생 능력을 발달시킨다. 전두엽이 덜 발달된 상황에서 지나친 경쟁으로 내몰아 만성 스트레스를 안기면 학습능력 저하와 충동 행동을 유발하게 마련이므로 피해야 한다. 교육 개혁도 바로 이런 방향이어야 한다.

◆왜 지금 뇌인가 : 전통적으로 인간 현상 탐구의 출발점은 마음이었다. 하지만 근대과학과 더불어 계량이 어려운 마음 대신 '행동'에서 규칙을 발견하려는 학문적 연구가 대세를 이뤘다. 주요 고전 사회경제 이론이 그렇게 출발했다. 하지만 그 전제였던 '이성적 인간'이란 가설은 '불합리·비합리적인' 현상 앞에서 금이 가기 시작했다. 심리학, 정신분석학이 인간 내면을 들췄지만 근거가 부실했다. 20세기를 풍미했던 거대 이론이 흔들리면서 다시 개인의 선택에 관심이 쏠렸다. 이런 상황에서 fMRI와 PET(양전자방출단층촬영술) 같은 첨단 장비들이 등장했다. 컴퓨터의 발달과 맞물려 뇌의 형태는 물론 기능까지 영상화할 수 있게 됐다. 학자들은 너도나도 뇌로 고개를 돌렸다. '뇌과학'은 이제 '과학자'의 전유물이 아니라 인문·사회학도까지 관심 갖는 분야가 됐다고 김주환 연세대 언론홍보영상학부 교수는 말한다. fMRI는 연속적으로 진행 중인 뇌 활동을 포착해낸다. 각종 상황에서 뇌의 어떤 부위가 얼마만큼 활성화되는지를 관찰하면서 학자들은 인간 행동과 선택의 비밀을 풀어낸다. 심지어 수도승의 머리를 들여다보고 종교와 마음의 내밀한 관계를 밝히려 한다. '판도라'의 상자가 열리는 셈이다.

◆관심 폭발하는 '뇌담론' : 대학에서도 '뇌담론'은 폭발하고 있다. 지난 19일 대전 한국과학기술원(KAIST) LG 반도체홀 강당은 중·고생들로 북적댔다. 이곳 뇌과학연구센터가 주최한 대중강연회였다. 강사인 한종혜 고려대 교수는 인기 드라마 '시크릿 가든'에서 남녀가 뒤바뀌는 주인공들의 행동을 뇌 차이로 설명했다. 이어 이수영 카이스트 교수는 영화 '인셉션'과 '아이로봇'을 소재로 꿈과 뇌과학을 이야기했다. 같은 날 인천 가천의대 길병원에서 주최한 '뇌과학, 학문의 경계를 허물다' 강연도 정원 초과였다. 이인식 과학문화연구소장의 '뇌연구와 지식융합'에 이어 홍성욱 서울대 교수의 '예술가의 뇌와 과학자의 뇌' 강연이 이어졌다. 미국의 뇌과학학회에는 얼마 전부터 최신 맥북을 펴든 금발 백인 여성들로 붐빈다. 잘나가는 분야라는 뜻이다. 뇌가 가진 폭발적 잠재력에 대한 기대는 상승 곡선을 긋고 있다. 이수영 카이스트 교수는 "고령화사회로 가면서 치매 같은 두뇌 질환 치료가 당면 과제로 떠올랐고 미래 노동력 대체를 위한 휴먼 로봇 개발에 대한 기대 또한 뇌 연구로 이어지고 있다"고 설명했다. 국내 뇌 연구의 선두 주자 중 한 명인 정재승 카이스트 바이오 및 뇌공학과 교수는 '브레인 룰스'의 서평 제목을 이렇게 달았다. '뇌를 지배하는 사람이 세상을 지배한다.'