인공 지능: 뇌 활동을 모방하는 칩이 개발되었습니다.

수십 년 동안 과학자들은 새로운 문제를 학습하는 인간의 뇌의 재능을 복제할 수 있는 컴퓨터 시스템을 만드는 꿈을 꾸어왔습니다.

매사추세츠 공과대학(MIT)의 과학자들은 뇌의 뉴런이 새로운 정보에 반응하여 적응하는 방식을 모방하는 컴퓨터 칩을 개발함으로써 이러한 목표 달성에 큰 진전을 이루었습니다. 가소성(plasticity)으로 알려진 이 현상은 학습과 기억을 포함한 여러 뇌 기능의 기저에 있는 것으로 여겨집니다.

약 400개의 트랜지스터를 탑재한 이 실리콘 칩은 단일 뇌 시냅스(두 뉴런을 연결하여 한 뉴런에서 다른 뉴런으로 정보를 전달하는 과정)의 활동을 모방할 수 있습니다. 프로젝트 책임자인 치상 푼은 이 칩이 신경과학자들이 뇌의 작동 원리를 훨씬 더 깊이 이해하는 데 도움이 될 것으로 기대하며, 인공 망막과 같은 신경 보철물 개발에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔습니다.

시냅스 모델링

뇌에는 약 1,000억 개의 뉴런이 있으며, 각 뉴런은 다른 여러 뉴런과 시냅스를 형성합니다. 시냅스는 두 뉴런(시냅스전 뉴런과 시냅스후 뉴런) 사이의 공간입니다. 시냅스전 뉴런은 글루탐산과 GABA와 같은 신경전달물질을 분비하고, 이 물질은 세포의 시냅스후 막에 있는 수용체에 결합하여 이온 채널을 활성화합니다. 이러한 이온 채널의 개폐는 세포의 전기적 전위를 변화시킵니다. 전위가 충분히 급격히 변하면 세포는 활동 전위라는 전기적 자극을 발생시킵니다.

모든 시냅스 활동은 나트륨, 칼륨, 칼슘과 같은 하전된 이온의 흐름을 조절하는 이온 채널에 의존합니다. 이 채널들은 시냅스를 각각 강화하고 약화시키는 장기강화(LTP)와 장기억제(LTD)라는 두 가지 과정에도 핵심적인 역할을 합니다.

과학자들은 트랜지스터가 다양한 이온 채널의 활동을 모방할 수 있도록 컴퓨터 칩을 설계했습니다. 대부분의 칩이 이진 온/오프 모드로 작동하는 반면, 새로운 칩의 전류는 아날로그 모드로 트랜지스터를 통해 흐릅니다. 전위의 기울기에 따라 전류가 트랜지스터를 통해 흐르는 방식은 이온이 세포 내 이온 채널을 통해 흐르는 방식과 같습니다.

"회로의 매개변수를 조정하여 특정 이온 채널에 집중할 수 있습니다."라고 푼은 말합니다. "이제 뉴런에서 발생하는 모든 이온 과정을 포착할 수 있는 방법을 갖게 되었습니다."

캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스의 신경생물학 교수인 딘 부오노마노는 "새로운 칩은 CMOS(보완 금속 산화물 반도체) 칩에서 생물학적 뉴런과 시냅스 가소성을 연구하는 데 있어 중요한 진전을 나타낸다"고 말하며, "생물학적 사실성의 수준이 인상적이다"고 덧붙였다.

과학자들은 이 칩을 사용하여 시각 처리 시스템과 같은 특정 신경 기능을 시뮬레이션하는 시스템을 개발할 계획입니다. 이러한 시스템은 디지털 컴퓨터보다 훨씬 빠를 수 있습니다. 고성능 컴퓨터 시스템조차도 간단한 뇌 회로를 시뮬레이션하는 데 몇 시간에서 며칠이 걸립니다. 하지만 이 칩의 아날로그 시스템을 사용하면 생물학적 시스템보다 시뮬레이션 속도가 훨씬 빠릅니다.

이러한 칩의 또 다른 잠재적 용도는 인공 망막이나 뇌와 같은 생물학적 시스템과의 상호작용을 맞춤화하는 것입니다. 푼은 미래에 이러한 칩이 인공지능 장치의 기본 요소가 될 수 있다고 말합니다.