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'인공 시냅스' 기술은 인공 뇌와 같은 인공 신경계 제작, 생체 뇌와 기계 정보 교환의 기초가 됨. 해외 연구진이 인공 시냅스와 신경세포의 연결 및 신호전달을 구현하는 데 성공함. 생각만으로 기계를 움직이는 뇌와 기계 상호작용 기술 진보로 평가됨.

미국과 이탈리아, 네덜란드의 국제 공동 연구진이 16일(한국시간) 살아있는 신경세포의 신호를 전달할 수 있는 인공 시냅스(synapse) 구현 실험에 성공했다고 발표함.

뇌와 신경계를 이루는 신경세포(뉴런)들이 서로 만나 신호를 주고 받는 지점을 시냅스라고 부름. 신경세포를 타고 온 전기신호는 신경세포 끝에서 신경전달 물질을 분비하게 만들고 이 물질이 다음 신경세포를 자극해 신호를 전달함.

이들이 만든 인공 시냅스는 전해질 용액으로 채워진 도랑과 도랑 양 끝에 고분자 전극이 전해질 용액에 담긴 형태로 구성됨. 전해질 용액은 신경세포 사이에서 신호가 전해지는 통로 역할을 함.

연구진은 이번 실험을 위해 신경전달물질인 도파민을 방출하는 쥐의 신경 세포를 사용했음. 한쪽 전극에 살아있는 신경 세포를 올려두고 도파민을 분비하게 만든 것임. 그러면 도파민이 전극과 반응해 이온을 생성하고 그 이온이 전해질을 타고 이동해 다른 전극의 전기전도성을 바꿈. 즉 살아있는 신경세포에서 나오는 화학적 신호를 전기적 신호로 변환해 전달한 것임.

이번 연구에 참여한 스탠퍼드 대학 알베르토 살레오 교수 연구진은 2017년 뇌의 신경을 모방한 인공 시냅스를 만들었고 2019년에는 인공 시냅스를 서로 연결해 뇌의 신경 작용을 모방할 수 있다는 것을 보였음. 이번 연구는 그 연장선 위에서 살아있는 세포와 인공시냅스의 연결 가능성을 증명함.

살레오 교수는 "이번 연구의 특징은 살아있는 (신경) 세포와 상호작용하는 재료를 만든 것"이라며 "뇌와 기계 상호작용(Brain Machine Interface)의 아주 작은 첫걸음"이라고 밝힘.

뇌·기계 상호작용은 뇌와 기계가 정보를 주고 받을 수 있게 만드는 기술임. 생각만으로 기계를 움직이는 기술이 여기에 해당함. 지금까지의 기술은 뇌의 전기적 활동의 결과물인 '뇌파'와 같은 전기적 신호를 중심으로 발달해 왔음. 이번 연구 결과는 신경세포의 화학 신호를 전기적으로 바뀌어내는 소재를 찾았다는 데 의미가 있음. 이 결과를 응용하기 위해서는 작동 과정 연구 및 다른 신경물질 반응 실험, 생체 환경 적용 시험 등 추가 연구가 필요함.

이 연구는 스탠퍼드 대학 전자 재료 공학 연구소의 알베르토 살레오(Alberto Salleo) 연구진과 이탈리아 기술연구소(IIT)의 프란세스카 산토로(Francesca Santoro), 네덜란드 아인트호벤 기술 대학의 요어리 반데 데 벌트(Yoeri van de Burgt) 연구진이 공동으로 수행함.

이번에 발표된 결과는 신경 세포의 화학적 신호 전달을 인공적으로 만든 기초 단계 연구임. 반면 뇌 컴퓨터 연결분야에서는 뇌의 전기적 신호인 뇌파를 이용하는 방식이 상당한 진척을 이룬 상태임. 뇌파를 치료에 이용하는 연구는 주로 뇌전증이나 뇌의 기능 이상을 고치기 위해 이뤄졌음. 신체 절단이나 마비 환자가 몸에 장착한 보조기구를 생각으로 조종할 수 있는 기술을 개발하는 목적으로 쓰이기도 함. 현재에는 치료·재활 목적 외의 두뇌와 기계를 연결하는 수단으로도 주목받고 있음.

뇌의 전기 신호를 읽는 방법을 크게 나누면 머리나 신체 외부에서 전극을 부착하는 비침습적 방법과 전극을 뇌에 장착해 신호를 읽어내는 침습적 방법, 두개골과 뇌 사이에 장치를 넣어 신호를 읽어내는 부분 침습적 방법이 있음. 침습적 방법은 신체 거부반응과 뇌에 미칠 잠재적 위험이라는 기술적 어려움이 있고 비침습적 방법은 세밀한 뇌파 신호와 잡신호를 구분해내야 함.

일론 머스크가 설립한 뉴럴링크(Neuralink)는 인체에 전자 장치를 이식하는 방법으로 접근하고 있음. 쥐와 원숭이를 대상으로 전극 이식을 통한 컴퓨터 연결 실험부터 부작용이 적은 인체 이식 기술 개발까지 기술을 발전시키고 있음. 뉴럴링크는 뇌파 인식을 위한 유연한 전선을 재봉틀 비슷한 기계를 이용해 두뇌에 이식시키고 뇌에서 나오는 생체 신호를 귀에 이식된 분석 장치로 모은다는 구상을 가지고 있음. 뉴럴링크가 지난해 7월 2020년 인간 대상 실험을 발표한데 이어 일론 머스크는 2월에는 자신의 트위터를 통해 뉴럴링크가 이르면 2020년 내에 인간을 대상으로 한 이식에 들어간다고 밝힌 바 있음.

페이스북은 2017년 개발자 콘퍼런스에서 뇌파로 단어를 입력하게 만드는 장치에 대한 구상을 발표하고 연구·개발에 투자를 이어오고 있음. 지난해에는 비침습적 신경 신호 인식 플랫폼을 개발하는 컨트롤 랩스(CTRL-Labs)라는 스타트업을 인수하기도 했음. 이 기업은 팔에 입는 장치를 통해 신경 신호 등을 읽어 기초적인 컴퓨터 조작에 응용하는데 성공했음.

본 연구 성과는 ‘Nature Materials’ 지에 게재됨