인간 두뇌 기능의 신비는 항상 과학자들을 괴롭혀 왔습니다. 인간의 두뇌를 모방하려는 시도는 항상 있어왔습니다. 인간 두뇌 프로젝트(Human Brain Project)는 그러한 시도 중 하나입니다. 과학자들은 어떤 단계에 있나요? 성공이 있습니까?
인간의 뇌는 우리가 아는 가장 신비한 생물학적 컴퓨터입니다. 사실, 수세기에 걸쳐 점점 더 정교한 방법으로 그것에 대해 배우려는 과학자들의 노력에도 불구하고 우리는 그것에 대해 충분히 알지 못합니다. 오직 최신 기술만이 이전에 추측으로만 알 수 있었던 실제 지식을 제공할 수 있습니다. 이것은 우리가 아직 완전한 인식과는 거리가 멀다는 사실을 바꾸지 않습니다. 현대 과학자들은 어느 단계에 있는가?
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'인공지능'이라는 용어
1950년대에 '인공지능'이라는 용어가 과학계에 처음 등장했을 때, AI 연구자들은 스스로 할 수 없는 일을 기계에게 가르칠 수 있다는 사실을 성공적으로 입증했을 때 열광했습니다. 기계가 스스로 학습하고 수학 정리를 증명할 수 있거나(예를 들어 Allen Newell과 Herbert Simon이 1955년에 개발한 Logic Theorist 프로그램을 사용하여 수행됨) 체커를 두어 인간을 이길 수 있다는 단순한 가능성(Arthur의 프로그램) IBM 엔지니어이자 나중에 스탠포드 대학교 교수가 된 사무엘(Samuel)은 과학계에서 인간 두뇌의 완전한 시뮬레이션이 불과 몇 년 밖에 안 남았다고 믿게 만들었습니다.
수십 년이 흘렀고 컴퓨팅 파워의 엄청난 성장과 딥 머신러닝을 통한 인공신경망, AI 알고리즘의 발전에도 불구하고 우리는 여전히 뇌의 단편조차 시뮬레이션하기에는 멀었습니다. 간단히 말해서, 20세기 후반의 AI 선구자들은 90%가 물로 구성된 우리 거북이의 "젤리 같은 덩어리"의 능력을 크게 과소평가했습니다.
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뇌는 복잡하다
태어날 때 인간 뇌의 무게는 약 300g이며, 완전히 발달한 성인 뇌의 무게는 약 1,5kg입니다. 이 1,5kg에는 우리 우주 전체와 우리가 가진 모든 정신적 능력이 담겨 있습니다. 추상적 사고, 창의성과 같은 의식적인 것뿐만 아니라 우리가 인식하지 못하는 것, 즉 움직임의 운동성, 순환계 제어, 호흡 등 훨씬 더 많은 것입니다.
인간의 뇌가 약 100억 개의 뉴런으로 구성되어 있다는 것은 과학자들 사이에서 인기 있는 진술입니다. 우리는 그 정확한 수를 알지 못하며, 인간 종의 개체마다 다를 수 있습니다. 하지만 이것이 사실이고 이 숫자가 그리 작지 않다고 가정해 봅시다. 100억이면 많은 양이지만 현대 슈퍼컴퓨터는 훨씬 더 큰 물체를 시뮬레이션할 수 있습니다. 그러나 문제는 뉴런이 3D 그래픽의 텍셀, 이미지의 픽셀 또는 작은 코드 조각만으로 설명할 수 있는 기타 개체보다 훨씬 더 복잡한 것이라는 점입니다.
우리 뇌의 뉴런은 서로 연결되어 있습니다. 이는 물리적 연결이 아닙니다. 왜냐하면 개별 뉴런에서 생성된 전기 자극이 신체 전체로 빠르게 퍼져 사실상 기능이 불가능해지기 때문입니다. 우리 뇌의 정보 전달은 전기(충동)와 화학(신경 전달 물질)을 기반으로 합니다. 각 뉴런(특징적인 수상돌기를 가진 "나무"라는 뉴런의 현재 대중적인 이미지를 떠올려봅시다)은 최대 만 개의 시냅스 연결을 통해 다른 뉴런과 연결될 수 있습니다.
하나의 신경 세포에서 10000개의 연결이 트랜지스터의 논리 게이트보다 훨씬 더 복잡하다는 점에 동의하십시오. 뉴런 사이에 가능한 모든 연결의 수와 뉴런이 특정 순간에 얻을 수 있는 상태(단 하나)를 세어보면, 관찰 가능한 전체 우주에서 추정되는 원자 수를 훨씬 초과하는 엄청난 수를 얻게 될 것입니다. 이 접근 방식을 사용하여 신경 생물학을 전문으로 하고 컴퓨터 과학에 대한 배경 지식도 있는 많은 과학자들은 현재의 지식 수준과 예상되는 개발에도 불구하고 그러한 복잡한 기관의 완전한 시뮬레이션은 우리의 능력을 초과하는 작업이라고 믿습니다. 오랫동안. 그러나 이것이 과학자들이 아무것도 하지 않고 아무것도 달성하지 못했다는 것을 의미하지는 않습니다. 인간 정신 전체는 아니더라도 적어도 일부를 시뮬레이션하는 것을 목표로 하는 일부 프로젝트를 살펴보겠습니다.
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40분 초
2013년 일본 오키나와 공과대학(Okinawa Institute of Technology)의 과학자들과 독일 Forschungszentrum Jülich 연구원들이 힘을 합쳐 당시 지구상에서 가장 강력한 슈퍼컴퓨터 중 하나(500년 Top2011 목록의 리더인 K Computer라고 불림)를 컴퓨팅 성능과 함께 사용했습니다. 8,16 PFLOPS(또는 초당 8,16조 부동 소수점 연산)로 뇌의 한 부분만 시뮬레이션할 수 있습니다. 전체적으로 시뮬레이션은 1,73억 10,4천만 개의 뉴런 작업을 매핑하여 1조 82944천억 개의 시냅스 연결 네트워크를 생성하는 것으로 구성되었습니다. 이는 두개골에 갇힌 생물학적 "젤리"의 잠재력의 64%가 조금 넘는 수준입니다. 시뮬레이션에서는 2 Sparc8 VIIIfx 프로세서의 전체 성능을 사용했습니다(한 시스템의 클록 주파수는 GHz 및 개 코어임). 이 접근 방식이 효과가 있었나요?
과학자들에 따르면 그렇습니다. 하지만 한편으로는... 그것은 당신이 그것을 어떻게 보느냐에 달려 있습니다. 이 슈퍼컴퓨터의 작동은 약 40분간 지속되었으며, 언급된 뇌 신경망 조각의 작동을 단 1초만 시뮬레이션했습니다. 따라서 시뮬레이션이 수행되었다는 사실 자체는 성공이라고 할 수 있지만, 시뮬레이션의 효과와 계산 시간, 시뮬레이션의 양을 보면 우리가 여기서 직면하고 있는 큰 문제가 무엇인지 알 수 있습니다. 그리고 뉴런 수가 증가함에 따라 시냅스 네트워크의 복잡성은 선형이 아니라 기하급수적으로 증가한다는 점을 기억해야 합니다! 현재 가장 빠른 미국 슈퍼컴퓨터인 프론티어(Oak Ridge National Laboratory에서 운영되고 있으며 1102 PFLOPS, 즉 언급된 일본 K 컴퓨터보다 135배 더 큰 컴퓨팅 성능을 가지고 있음)가 동일한 작업에 사용된다면 이는 의미가 없습니다. Frontier는 (동일한 모델 매개변수를 사용하여) 135배 더 큰 신경망을 시뮬레이션할 수 있었습니다. 1,73억 40천만 개의 뉴런으로 구성된 네트워크의 실제 18초에 대한 동일한 시뮬레이션이 미국 슈퍼컴퓨터에서 분이 아니라 초 이내에 지속됩니다. 그러나 이것은 여전히 실제 실시간 네트워크 시뮬레이션 그 이상이며 우리 머리 속에 있는 것의 작은 부분일 뿐입니다. 정신 전체의 작용을 시뮬레이션하는 것은 여전히 공상과학의 영역에 속합니다. 그러나 과학자들은 여전히 노력하고 있습니다.
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유럽의 인간 두뇌 프로젝트
인간 두뇌 프로젝트(HBP)는 규모와 이 과학 프로젝트에 할당된 자금 측면에서 인간과 관련된 또 다른 프로젝트인 1990년부터 2003년까지 지속된 유명한 프로젝트 "인간 유전자"와 비교할 수 있습니다. 인간 게놈을 완전히 이해하기 위해 인간 두뇌 프로젝트는 과학자들이 인간의 두뇌를 더 잘 이해하도록 돕는 것을 목표로 합니다. 그러나 2013년부터 진행되어 당초 2023년 간의 연구 끝에(즉, 년) 종료될 예정이었던 인간 뇌 프로젝트는 뇌 전체를 시뮬레이션하는 수준에도 미치지 못한다. 그렇다면 과학자들은 이 연구를 통해 어떤 목표를 달성할 계획인가요?
HBP의 주요 목표는 뇌 전체를 시뮬레이션하는 것이 아닙니다. 이 작업이 오늘날 우리 문명의 능력을 넘어서는 것임을 이미 보여주었기를 바랍니다. 목표는 뇌의 복잡성을 적어도 부분적으로 마스터하는 것입니다. 이는 의학, 컴퓨터 과학, 신경학과 같은 과학의 발전뿐만 아니라 우리의 마음이 작동하는 방식에서 영감을 받은 기술의 개발에도 도움이 될 것입니다.
HBP 프로젝트의 결과 중 하나는 뇌 연구를 위한 디지털 플랫폼인 EBRAINS를 만든 것입니다. EBRAINS는 전 세계 연구자들이 안전한 클라우드 환경에서 디지털 도구를 사용할 수 있도록 지원하는 오픈 소스 플랫폼입니다. 즉, EBRAINS는 과학자들에게 뇌의 개별 영역 기능을 모델링하고 분석할 수 있는 도구를 제공합니다.
그러한 도구 중 하나가 HBP와 EBRAINS가 만든 가상 뇌 시뮬레이션 프로그램입니다. 이 도구는 전체 뇌의 작업을 완전히 시뮬레이션할 수 없지만, 예를 들어 신약 연구자가 뉴런 그룹에 미치는 영향을 시뮬레이션할 수 있습니다. 이를 통해 과학자들은 알츠하이머병, 우울증, 파킨슨병 등과 같은 복잡한 질병에 유용한 새로운 치료법을 개발할 수 있습니다.
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미국 두뇌 이니셔티브
미국 연구 기관이 시작한 훨씬 더 크고 새로운 프로젝트는 US BRAIN Initiative입니다. 이것은 인간 커넥톰 지도 작성을 목표로 하는 다년간, 수십억 달러 규모의 또 다른 연구 프로젝트입니다. 연결이란 무엇입니까? 이것은 이 유기체의 일련의 신경 연결입니다. 게놈이 유전 사슬의 완전한 지도인 것처럼, 프로테옴은 주어진 유기체의 단백질의 완전한 지도입니다. 우리는 이미 인간 게놈을 알고 있으며 이를 발견하는 데 수십억 달러의 비용이 듭니다. 오늘날 게놈 테스트는 널리 이용 가능하며, 예를 들어 결함 존재 여부를 확인하는 유전자 테스트에는 수백 달러의 비용이 듭니다. 완전한 게놈은 약간 더 비싸지만, 여전히 최초의 인간 DNA 판독 비용보다 훨씬 저렴합니다.
Connectome과 미국 BRAIN 프로젝트로 돌아가 보겠습니다. 이 프로젝트의 목적은 무엇입니까? 메릴랜드 주 베데스다에 있는 미국 국립 정신 건강 연구소의 조시 고든(Josh Gordon) 소장은 다음과 같이 말했습니다. “모든 유형의 뇌 세포와 이들이 서로 연결되는 방식, 상호 작용하는 방식을 알면 오늘날 우리가 사용할 수 있는 완전히 새로운 치료법이 열릴 것입니다. 상상도 못해요." 현재 세계 최대 규모의 신경 세포 유형 카탈로그가 작성되고 체계적으로 개발되고 있습니다. BRAIN Initiative Cell Census Network(BICCN)이라고 불리는 이 카탈로그는 뇌에 얼마나 많은 종류의 세포가 있는지, 어떤 비율로 발생하는지, 공간적으로 어떻게 분포되어 있는지, 그리고 이들 사이에 어떤 상호 작용이 일어나는지 설명합니다.
이 접근 방식은 어디에서 왔습니까? 뇌가 어떻게 작동하는지 이해해야 할 필요성에서. 이 접근법의 장점은 시애틀에 있는 Allen Institute for Brain Science에서 시행하는 MindScope 프로그램의 수석 과학자인 신경과학자 Christoph Koch가 Nature에 보낸 성명에서 설명됩니다. 개별 유형의 세포의 존재와 기능을 이해하지 않고서는 뇌를 이해하는 데 아무런 의미가 없습니다."
만약 우리가 세포 단위로 스캔할 수 있는 기술적 잠재력, 예를 들어 인간의 뇌를 재현할 수 있는 기술적 잠재력을 가상적으로 달성했다면, 그러한 접근 방식은 우리가 성공하더라도(현재는 현실적이지 않음) 여전히 그 이유를 이해하지 못할 것임을 의미합니다. 뇌는 실제로 일어나는 대로 작동합니다. 그리고 우리가 뇌를 살아있는 생물학적 기관으로 이야기하는지, 아니면 가상적으로 복제된 디지털 대응체인지는 중요하지 않습니다. BRAIN 및 디렉토리 BICCN 각 신경 회로의 구조와 작동을 이해하고, 따라서 뇌만큼 복잡한 기관을 가진 모든 종을 지배하는 복잡한 행동을 이해하기 위한 출발점입니다.
연구가 계속되고 있으며 과학자들은 특별히 제작된 웹사이트에 지속적으로 새로운 성과를 발표하고 있습니다. 그러므로 나는 곧 더 흥미로운 발견이 우리를 기다리고 있다고 확신합니다.
또한 흥미로운 점:
머지않아 모든 사람의 뇌를 불필요하게 제거하는 것이 가능해질 것입니다...