GN⁺: 뇌 입방 밀리미터, 나노스케일 해상도로 매핑된

뇌의 작은 부분을 놀라운 수준으로 매핑한 연구

• 구글 과학자들이 인간 뇌의 작은 부분을 나노 스케일 해상도로 모델링함
• 이전에는 발견되지 않았던 특징을 가진 세포들이 드러남
• 연구 결과가 오늘 Science 저널에 발표되었고, 온라인에서도 볼 수 있음

뇌 조각의 3D 매핑 결과

• 연구 대상은 약 1 입방 밀리미터 크기의 뇌 조각으로, 전체 뇌의 100만분의 1에 불과함
• 약 5만 7천개의 세포와 1억 5천만 개의 시냅스(뉴런 간 연결)가 포함됨
• 총 1.4 페타바이트의 방대한 데이터를 담고 있음
• 구글 연구원인 Viren Jain은 이 복잡성을 이해하는 것이 쉽지 않을 것이라고 말함

뇌 샘플의 준비와 이미징 과정

• 뇌전증 수술을 받은 45세 여성의 대뇌피질 일부를 샘플로 사용
• 보존제에 담그고 중금속으로 염색해 세포를 잘 보이게 함
• 하버드대 신경과학자 Jeff Lichtman 팀이 34나노미터 두께로 5000개 조각내어 전자현미경으로 촬영
• 구글 팀이 AI 모델을 만들어 현미경 이미지들을 3D로 재구성함

새로 발견된 비정상적인 뉴런들

• 서로 최대 50개의 연결을 만드는 뉴런 발견 (보통은 많아야 2개 정도)
• 자기 자신을 감싸 매듭을 만드는 돌기를 가진 뉴런도 발견
• 서로 거의 완벽한 대칭을 이루는 한 쌍의 뉴런도 발견됨
• 이런 구조들의 역할은 아직 불분명함

방대한 데이터의 검증 필요성

• 대부분의 데이터가 아직 수동으로 검증되지 않아 이미지 결합 과정의 오류 가능성 있음
• 5만개 세포 중 수백 개만 검증됨
• Jain은 관심 분야의 지도 부분을 직접 검증해줄 것을 희망함
• 앞으로 다른 사람의 뇌 샘플로 유사한 지도를 만들 계획이지만, 전체 뇌 지도 제작은 향후 수십년 내 어려울 것으로 예상

연구의 의의와 기대효과

• Allen Institute의 Hongkui Zeng은 이 논문을 인간 대뇌 피질 데이터 구축의 쾌거로 평가
• 자유롭게 공개된 방대한 데이터가 대뇌 피질의 미세회로 연구에 큰 도움이 될 것
• 펜실베니아 주립대의 Yongsoo Kim은 이 지도가 신경 연결의 새로운 규칙을 밝히고 인간 뇌의 작동 방식 해독에 기여할 것으로 기대
• 대뇌피질 작동 원리를 깊이 이해하면 정신 질환과 신경퇴행성 질환 치료에 단서를 제공할 수 있을 것

GN⁺의 의견

• 이 연구는 작은 규모지만 뇌의 구조와 연결에 대해 전례없는 수준의 상세한 정보를 제공했다는 점에서 의의가 크다. 하지만 데이터의 방대함 때문에 검증과 해석에는 많은 노력이 필요해 보인다.

• 새로 발견된 비정상적인 뉴런 구조들의 역할과 의미를 밝히는 것이 중요한 후속 과제가 될 것이다. 이를 통해 뇌의 작동 원리와 관련 질병의 메커니즘을 이해하는 데 중요한 통찰을 얻을 수 있을 것이다.

• 향후 더 많은 뇌 지도가 만들어지고 데이터가 축적되면, 이를 바탕으로 신약 개발이나 정밀 의료에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 다만 윤리적, 법적 문제에 대한 사회적 합의도 필요해 보인다.

• 뇌의 복잡성을 완전히 이해하기까지는 갈 길이 멀지만, 이번 연구는 뇌 과학 분야의 이정표가 될만한 성과라고 생각한다. 구글과 하버드 연구진의 학제간 협력이 좋은 결실을 맺은 사례로도 주목할 만하다.

[neo]

Hacker News 의견

• 대화형 시각화가 매우 훌륭함
  • 슬라이스를 확대하고 레이어를 스크롤하거나, 3D 모델을 확대해 볼 것
  • 뉴런의 한 부분에 마우스를 올리면 해당 뉴런 전체가 하이라이트 되는 것을 확인할 수 있음
• 3D 지도는 약 1세제곱밀리미터 부피를 커버하는데, 이는 전체 뇌의 100만분의 1에 해당하며 대략 57,000개의 세포와 1억 5천만 개의 시냅스(뉴런 간 연결)를 포함함
• 이는 인간 뇌를 모방하기 위해 얼마나 큰 신경망 모델이 필요한지에 대한 간단한 계산을 제공함
  • 뉴런 당 평균 2,632개의 시냅스가 있다고 가정하면, 성인 인간 뇌의 1000억 뉴런에는 총 2.6x10^14개의 시냅스가 있을 것으로 추정됨
  • 시냅스 당 1개의 파라미터를 가정하면 최소 모델 크기는 GPT-4보다 수백 배 커야 함
  • 그러나 시냅스 당 10-100개의 이온 채널과 채널 당 최소 10개의 파라미터를 고려하면 2.6x10^16 이상의 파라미터가 필요할 것으로 보임
• 리처드 파인만의 "바닥에는 많은 공간이 있다(There's Plenty of Room at the Bottom)"를 다시 읽어볼 것
  • 생물학자들이 그에게 1000배 더 강력한 전자 현미경을 만들라고 했던 부분에 주목할 것
  • 이 이미지들을 스캔하는 데 사용된 기술에도 주목할 것
• 단일 뉴런 사진에 근거하면, 뇌 시뮬레이션 연구자들은 필요한 컴퓨팅 파워에 대한 추정치를 다시 계산해야 함
• 이런 종류의 현미경 뇌 이미지를 보고 약간 불편한 느낌이 드는 것에 대한 명칭이 있는지? 정상적인 반응인지 궁금함
• 샘플을 손상시키지 않고 어떻게 34nm 두께로 5,000장의 슬라이스로 자르는지 궁금함
• 큰 인간 뇌 전체를 스캔하려면 1.76 제타바이트의 저장 공간이 필요할 것으로 계산됨
• 간질 치료를 위해 수술을 받은 45세 여성의 대뇌피질에서 뇌 조각이 채취되었다고 함. 어떤 부분을 잘라낼지 어떻게 결정했는지 궁금함
• 2D 슬라이스에서 3D 부피를 정확히 재구성하는 것이 이미 잘 연구된 분야인데, 연구자들이 잘못된 환각 결과를 얻을 위험이 있는 ML 모델을 사용한 이유는 무엇인지?
• AGI(Artificial General Intelligence)가 아마도 불가능하다는 또 다른 증거점
  • 실제 생물학적 뇌를 기르는 것이 훨씬 쉬울 것임
  • 실리콘에서는 결코 일어나지 않을 것이며, 모든 기계에는 어딘가에 입방 센티미터 크기의 신경 조직 블록이 내장될 것임