과학자들, 예쁜꼬마선충 뇌를 레고 로봇에 시뮬레이션… 신경 매핑 돌파구 마련

• 과학자들이 예쁜꼬마선충(Caenorhabditis elegans)의 뇌를 레고 로봇에 구현했습니다.
• 선충의 302개 뉴런 간 연결을 매핑하고 소프트웨어로 시뮬레이션했습니다.
• IP 주소와 포트 번호를 사용해 각 뉴런을 주소 지정했습니다.

뇌는 단순한 전기 신호의 집합 그 이상입니다. 인간이 왜곡 없이 그 신호들을 저장하는 법을 배운다면, 누군가의 뇌를 컴퓨터에 업로드해 영화 '트랜센던스'처럼 디지털 의식 형태로 영생하게 할 수 있을 것입니다.

연구자들은 적어도 인간 뇌로는 그런 업적에 아직远く 미치지 못했지만, 과거 몇 가지 이정표를 세웠습니다. 예를 들어, 국제 연구팀이 예쁜꼬마선충의 뇌를 레고 로봇 몸에 넣는 데 성공했습니다.

사용된 예쁜꼬마선충은 자유 생활하는 투명한 선충으로, 길이가 약 1mm입니다. 온대 토양 환경에 살며 호흡계와 순환계가 없습니다. 유전자와 신경계가 여러 차례 연구되었습니다.

이미지 출처: 위키미디어

로봇에 선충 통합하기

2014년 오픈웜(OpenWorm) 프로젝트는 선충의 302개 뉴런 간 연결을 매핑하고 소프트웨어로 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 이 소프트웨어 프로그램을 작은 레고 로봇에 구현했습니다. 주된 목적은 예쁜꼬마선충을 가상 유기체로 완전히 시뮬레이션하는 것이었습니다.

선충의 신체 부위와 신경망은 레고봇 대응물로 대체되었습니다. 선충의 코 뉴런은 로봇의 소나 센서로, 선충 양옆을 따라 뻗은 운동 뉴런은 로봇 좌우 모터에 대응합니다. 전반적으로 로봇은 예쁜꼬마선충과 매우 유사하게 행동합니다.

시뮬레이션이 100% 정확하지는 않습니다. 소프트웨어의 몇 가지 매개변수가 뉴런 발화를 유발해야 합니다. 그러나 로봇이 어떤 명령이나 프로그래밍된 지시 없이, 선충의 뇌를 모방한 연결망만으로 작동한다는 점을 고려하면 그들이 이룬 성과는 대단합니다.

더 구체적으로, 모델은 연결 면에서 정밀하며 UDP 패킷을 사용해 뉴런을 발화시킵니다. 예를 들어 두 뉴런 사이에 3개의 시냅스 연결이 있다면, 첫 번째 뉴런이 발화할 때 페이로드 '3'을 가진 UDP 패킷이 두 번째 뉴런으로 전송됩니다.

출처: I Programmer

연구자들은 IP 주소와 포트 번호를 사용해 각 뉴런을 주소 지정했습니다. 전체 뉴런은 가중치를 합산하고 임계값을 초과하면 발화합니다. 뉴런이 발화하거나 200밀리초 이내에 메시지가 도착하지 않으면 누산기가 리셋됩니다. 이는 실제 신경망에서 일어나는 일과 유사합니다.

이미지 출처: 유튜브

레고 로봇에 부착된 센서는 100밀리초마다 샘플링됩니다. 선충의 코처럼 연결되어 있어, 20cm 이내에 물체가 감지되면 감각 뉴런에 신호를 보냅니다.

같은 개념이 95개 운동 뉴런에도 적용되며, 운동 신호가 수집되어 각 모터의 움직임과 속도를 제어하는 데 사용됩니다. 이 운동 뉴런은 억제성 또는 흥분성일 수 있으며, 음수와 양수 값이 사용됩니다.

오픈웜 프로젝트

오픈웜 프로젝트는 현재도 시뮬레이션과 시각화 개선을 위해 계속되고 있습니다. 선충의 발달 과정을 탐구하며, 데이터 분석과 시뮬레이션을 통해 선충류와 다른 생명체의 발달 과정에 초점을 맞추고 있습니다.

브라우저에서 선충을 가지고 놀 수 있는 새로운 대화형 접근법인 '게페토(Geppetto)'라는 플러그 앤 플레이 플랫폼을 개발했습니다. 또한 유전 알고리즘 같은 최적화 기법을 사용해 모델을 조정하고 실제 세포 관측 실험 데이터에 맞게 미세 조정하고 있습니다.

참고 읽기: 유전자 프로그래밍 박테리아를 이용한 살아있는 타투

다음 단계는 인간 뇌 연결, 즉 커넥톰(connectome)을 구축하는 것입니다. 가까운 미래에 인간 뇌를 컴퓨터에 업로드하지 못하더라도, 뇌 전체를 시뮬레이션할 수만 있어도 인공지능에 혁명을 일으킬 것입니다. 언젠가 이 이정표에 도달한다면, 그 응용과 기회는 현재로서는 상상조차 할 수 없을 만큼 방대할 것입니다.