우리나라 사망 원인 중 뇌 질환이 세 번째로 높다. 2012년에 10만 명 당 51명이 뇌 질환으로 세상을 떠났다. 이렇게 무서운 뇌 질환을 치료하기 위해서는 뇌 구조는 물론 각 부분의 숨은 기능까지 파악해야 한다. 그러려면 신경 하나하나가 주고받는 신호를 확인해야 하는데, 그 양이 어마어마하다. 그래서 연구자들은 슈퍼컴퓨터를 활용한다. 아울러 인간 뇌가 어떻게 작동하는지 완전히 밝혀서, 그와 비슷하게 작동하는 인공 뇌를 만들고 싶어한다.

치매 증상은 초기에는 예고 없이 나타났다가 사라지기를 한동안 반복한다. 이상을 느끼고 검사를 받으러 가도 정확한 진단을 받기 쉽지 않다. 치매 검사를 받는 순간은 정신이 멀쩡할 수 있기 때문이다. 정상으로 진단 받고 집에 돌아와서는 다시 증상이 되풀이 될 수 있다. 그래서 안타깝게도 많은 이들이 초기의 치료 시기를 놓친다.

초정밀 MRI 촬영 영상을 슈퍼컴퓨터로 분석하여 증상이 나타나기 훨씬 전에 치매를 포착하고 진단할 수 있게 되었다.

그런데 치매 증상이 나타나기 10여 년 전부터 뇌 사진으로 먼저 확인할 수 있다는 연구가 나왔다. 미국 러시대 메디컬센터와 매사추세츠종합병원 공동 연구팀이 뇌가 위축되는 노인들의 치매 발병률이 높았다는 연구 결과를 신경학회지에 발표했다(2011년). 연구팀은 인지 지능이 정상인 70대 남녀 65명을 대상으로 7~11년 동안 MRI(자기공명영상)로 뇌를 촬영했다. 연구 기간 동안 뇌 위축이 가장 광범위하게 일어난 그룹의 55%가 치매에 걸렸다. 반면에 뇌 위축이 가장 적게 일어난 그룹에서는 한 명도 치매에 걸리지 않았다. 증상이 나타나기 훨씬 전에 MRI로 치매를 미리 포착하고 대비할 가능성이 열린 것이다.

2012년에는 조선대 병원, 광주과학기술원, 광주시가 힘을 모아 MRI와 슈퍼컴퓨터를 이용한 치매 연구를 본격적으로 시작했다. 5년 간 50억 원을 투입해 65세 이상 광주 시민 2000명을 대상으로 치매 조기 검진을 무료로 시행한다. 초정밀 MRI 촬영과 정밀 뇌기능 검사를 통해 치매 위험군을 초기에 확인하고, 이들을 추적 검사한다. 이때 촬영한 초정밀 MRI 영상을 광주과학기술원 바이오영상센터에서 슈퍼컴퓨터로 분석하기 때문에 치매를 조기 진단할 수 있다. 조선대 병원은 이 연구의 연장선으로 2013년에 치매 연구 국책사업단을 유치했다. 정부의 지원으로 ‘치매조기검진센터’를 설치하고, 올해부터 노인 1만 명에게 무료 치매 조기 검진을 실시할 예정이다.

뇌 연구의 한쪽에서는 사람의 뇌를 재현하기 위해 노력하고 있다. 우리 뇌의 모든 부분을 슈퍼컴퓨터로 모델링해 인공 뇌를 만드는 것이다. 이를 통해 인공지능의 새로운 문이 열리기를 기대하고 있다.

사람의 뇌는 복잡한 네트워크와 같다. 약 1000억 개의 신경세포가 전기신호를 주고받으며 정보를 처리한다. 정보를 어떻게 처리하는지 이해하려면 개별 신경세포의 전기적 성질을 슈퍼컴퓨터로 시뮬레이션 해야 한다. 그러나 뇌 전체를 시뮬레이션하기 힘들기 때문에 작게 나눠서 한다. 수백에서 수천 개의 신경 세포로 묶인 구획 단위로 시뮬레이션 하는데, 이를 ‘구획 모형 방법’이라고 한다.

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1 소뇌 피질에 있는 퍼킨제세포의 구획 모형 <출처: Gleeson(University College London)> 2 블루브레인프로젝트에서 만든 쥐의 외피원주 컴퓨터 모형. 약 1만 개의 신경 세포가 3000만 개의 시냅스를 형성하고 있다. 뇌 기능의 최소 단위라고 알려져 있다. <출처: Blue Brain Project>

이 방법으로 유명한 연구 성과가 ‘블루브레인프로젝트’다. 2005년부터 스위스 로잔공대 헨리 마크람 교수 연구팀이 스위스 정부의 지원을 받아 진행했다. 마크람 교수팀은 쥐의 뇌에서 가장 작은 기능 단위로 알려진 외피원주의 시뮬레이션 모형을 만드는 데 성공했다. 외피원주는 약 1만 개의 신경세포가 3000만 개의 시냅스를 이루는데, 이 방대한 양의 계산을 위해서는 슈퍼컴퓨터가 필수였다. 그래서 8192개의 CPU로 이루어진 IBM ‘블루진 라이트’ 슈퍼컴퓨터를 사용했다.

휴먼브레인프로젝트는 2023년까지 사람의 뇌를 모방한 인공 뇌를 완성할 계획이다. <출처: Human Brain Project>

2013년 초 EU(유럽연합)는 ‘휴먼브레인프로젝트’를 승인했다. 이 프로젝트의 목표는 슈퍼컴퓨터를 이용해서 앞으로 2023년까지 사람 뇌 전체를 시뮬레이션 하는 것이다. 앞선 블루브레인프로젝트처럼 시냅스의 연결 구조, 신호 전달 체계 등까지 정교하게 모사한다. 스위스 로잔공대, IBM 등 80여 기관이 참여하며 이 프로젝트 전용으로 엑사플롭스급 슈퍼컴퓨터를 구축할 예정이다. 이를 위한 예산은 약 1조 6000억 원(10억 유로)으로, EC(유럽공동체)가 지원한다.

휴먼브레인프로젝트의 주요 임무는 4가지다. 뇌의 구조 및 기능에 관한 데이터 확보, 슈퍼컴퓨터와 소프트웨어로 구성된 IT 플랫폼 구축, 대표적인 뇌질환에 대한 치료법 제시, 뇌에 대한 이론체계 수립이다. 프로젝트를 마치는 시점에서는 사람 뇌와 비슷한 인공뇌가 완성될 것으로 기대하고 있다.

프로젝트를 이끄는 마크람 교수는 2012년 6월 과학 잡지 ‘사이언티픽 아메리칸(Scientific American)’ 기고문에서 “휴먼브레인프로젝트는 사람 두개골 안의 뉴런 890억 개와 이들이 만든 100조 개의 연결을 컴퓨터로 시뮬레이션 하는 것”이라며, “뇌의 컴퓨터 시뮬레이션이 완성되면 신경과학, 의학, 컴퓨터 기술에 혁명적 변화가 일어날 것”이라고 밝혔다.