뇌연구가 노령화 문제의 열쇠이자 IT기술의 돌파구
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'귀 사이에 존재하는 1.4kg짜리 신비'라고 불리는 인간의 뇌.
1000억개의 신경세포가 복잡하게 얽혀 있는 뇌는 신경계의 중추로 신체 각 부분을 통솔하고, 생각과 기억, 상상 등 인간의 복잡한 정신 활동을 지배하는 인체의 핵심 기관이다. 아직까지 인류가 풀어낸 뇌의 비밀은 고작 10%밖에 안된다고 전문가들은 말하고 있다. 무궁무진하게 남아 있는 나머지 미지의 영역을 두고 전 세계가 소리없는 경쟁을 벌이고 있다.
세계 전문가들은 뇌 연구를 21세기 과학·기술 분야에서 가장 중요한 도전이자 최후의 과제로 지목하고 있다. 뇌에 대한 연구는 고령화로 인해 급증하고 있는 치매 등 뇌신경질환을 예방·치료할 핵심기술 분야로, 인류가 현재 직면한 삶의 질 문제와 밀접히 맞닿아 있다. 뿐만 아니라 생각만으로 컴퓨터를 움직이는 ‘BMI(Brain Machine Interface)' 기술이나 뇌의 구조를 닮은 슈퍼컴퓨터 등 뇌 기능을 응용한 첨단 기술은 미래 경제를 이끌 유력한 차세대 성장동력 분야로 지목되고 있다.
뇌 연구 분야는 다른 기술 분야에 비해 전 세계적으로 아직 태동기라고 볼 수 있다.
하지만 이미 세계 선진국들은 20세기 말부터 뇌 연구의 중요성을 인식하고 국가 차원의 연구개발(R&D)에 돌입했으며, 최근 우리나라 등 여러 국가들이 기초연구 및 원천기술 확보를 위한 경쟁에 뛰어들고 있다.
뇌 에서 인류의 미래 찾는다
뇌 연구는 뇌신경계의 신경생물학 및 인지과학적 이해를 바탕으로 뇌의 구조와 기능의 근본원리를 파악하는 연구 분야로, 기초과학, 의학, 공학, 심리학 등 여러 분야가 서로 연관돼 있는 융합학문의 성격을 갖고 있다. 뇌를 연구한다는 것은 인간의 육체와 정신을 모두 이해하려는 것으로, 한 가지 분야 기술로 접근할 수 없다는 특징을 갖고 있는 것이다.
뇌 연구는 뇌의 신경생물학적 구조와 인지, 사고, 언어심리 및 행동 등의 고등신경 정신활동을 연구하는 '뇌과학' 분야, 뇌의 구조와 기능상 결함 등으로 인한 신제적·정신적 질환과 이에 대한 진단·예방법 및 치료제 개발을 연구하는 '뇌의약학' 분야, 고도의 지적 정보처리 구조와 기능을 이해하고 공학적 응용을 위한 이론과 기술을 연구하는 '뇌공학' 분야 등으로 나눌 수 있다.
최근 뇌졸중, 파킨슨병 등 퇴행성 뇌질환과 노인성 질환 분야에서 큰 발전을 이루고 있으며, 뇌의 유연성과 적응성, 학습 기능과 같은 특성을 이용한 뇌공학 기술의 응용도 빠르게 진척되고 있다. 특히 다양한 분야간 통합과 융합 연구가 강화되는 추세로, 뇌의 신호를 전자 신호로 바꿔 생각으로 기계나 컴퓨터를 작동하는 BMI 기술처럼 바이오(BT), 나노(NT), 정보통신(ICT) 등 이종기술 간의 융합을 통해 미래 원천 융합기술 분야를 개척하는 연구가 주목을 받고 있다.
이 같은 기술 융합을 통해 뇌 연구는 의학·공학 분야는 물론 마케팅, 교육, 인공지능 개발 등 무수한 분야에서 인간 삶을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대를 모으고 있다. 이에 따라 미국은 1990년 20세기 마지막 10년을 '뇌 연구 10년(Decade of the Brain)'으로 선포하고 본격적으로 뇌 연구를 시작했다. 유럽연합 역시 1991년 '유럽 뇌 연구 10년(European Decade of the Brain)' 계획을 수립했으며, 이웃나라 일본은 21세기를 '뇌 연구의 세기'로 선언하고 1997년부터 뇌과학 프로젝트를 추진했다. 우리나라도 지난 1998년부터 '뇌연구 촉진법' 등 관련 법·제도를 정비하고 국가 기본계획을 수립해 정부 주도형 연구개발 사업을 중심으로 뇌 연구를 하고 있다.
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EU, 컴퓨터로 구현한 가상 뇌 만든다
지난 수십 년 간 뇌 과학자들은 뇌의 작동 방식을 이해하고자 각각의 신경세포가 어떤 특성을 지니는지, 또는 이들이 서로 어떻게 연결되어 있는지, 자극을 주면 뇌의 어느 부분에서 어떤 반응이 나타나는지 자세히 관찰해왔다. 기계로 따지면 부품 하나 하나, 연결된 전선 하나 하나를 열심히 뜯어보고 있었던 것이다.
20세기에 들어와 전기적인 자극을 통해 신경세포의 반응을 살펴보는 실험을 할 수 있는 여건이 마련됐으며, 1.2차 세계대전을 통해 머리를 다친 군인들의 연구를 통해 뇌 연구는 비약적으로 발전했다. 이후 엄청난 양의 연구결과와 이론들이 쏟아졌지만, 아직까지 뇌의 작동 원리를 완벽하게 설명하지는 못하고 있다.
원점으로 다시 돌아와 '인간의 뇌는 어떻게 작동하는가?'란 질문에 대한 해답을 찾기 위해 유럽연합(EU)은 지난해 향후 10년 동안 10억 유로를 투입하는 초대형 연구 프로그램, '휴먼 브레인 프로젝트(Human Brain Project)'를 추진하기로 했다.
유럽 전역 86개 연구기관이 참여해 학문 간, 국가 간 경계선을 허물고 과학자들과 그들의 연구를 통합코자 하는 이 혁신적인 프로젝트는 실제 인간의 뇌를 슈퍼컴퓨터에서 그대로 구현해 시뮬레이션 하는 것을 목표로 삼는다. 1000억개에 달하는 뇌 신경세포와 그 수천배에 달하는 연결 구조를 슈퍼컴퓨터를 통해 통째로 구현해 완벽한 '가상의 뇌'를 만든다는 계획이다. 이 프로젝트가 성공할 경우 동물 실험 없이도 뇌 질환 치료제를 개발할 수 있을 뿐만 아니라 인간과 똑 같은 지적 능력을 가진 인공지능 로봇도 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
프로젝트에 참여한 연구진들은 우선 뇌와 관련된 컴퓨터·의학 연구를 위한 새로운 ICT 인프라를 총 6개의 플랫폼으로 디자인해 구현할 계획이다. 오는 2016년 세계 과학커뮤니티에 공개될 이 휴먼 브레인 프로젝트 플랫폼은 범세계적 연구 협력의 촉매제 역할을 할 것으로 기대를 모으고 있다.
휴먼 브레인 프로젝트를 총괄하는 스위스 로잔연방공과대학의 헨리 마크람 박사는 지난 2005년부터 쥐의 뇌를 슈퍼컴퓨터에서 구현하는 '블루브레인 프로젝트'(Blue Brain Project)를 이끌어 왔다. 휴먼브레인 프로젝트와는 별개로 진행되는 이 프로젝트는 인간과 체스 시합을 벌여 유명해진 IBM의 '딥블루' 슈퍼컴퓨터를 이용해 쥐의 뇌를 시뮬레이션하고 있다.
하지만 유럽 연구자들 사이에서는 휴먼 브레인 프로젝트에 회의적인 반응이 나오고 있다. 아직 세세한 신경세포의 구조와 신경세포 간 연결 구조 등 뇌의 모든 구조를 완전히 파악하지 못한 상태에서, 어떻게 컴퓨터로 복제할 수 있겠냐는 지적이 나오고 있는 것이다. 프로젝트에는 뇌 구조를 파악하는 연구도 포함돼 있지만 앞으로 수 년 안에 모든 구조를 파악하기는 어려울 것이란 우려가 나오고 있다.
미국, 뇌 기능 전모 밝히는 국가 프로젝트 '브레인 이니셔티브' 가동
유럽과 함께 뇌 연구 분야를 주도하고 있는 미국은 1990년 뇌 연구 촉진법인 '뇌의 10년(decade of the brain)' 법안을 마련하면서 국가 차원의 대규모 뇌 연구개발 사업의 포문을 열었다. 이를 통해 뇌 연구를 위한 연구 방법과 자원 등 기반을 확충한 미국은 국립보건원(NIH) 산하의 16개 연구 기관이 결성해 만든 뇌 연구 연합체인 '신경과학 연구를 위한 청사진’(Blueprint for neuroscience research) 등 여러 연구 기관을 통해 뇌 연구를 추진하고 있다. 2010년 NIH 총 예산은 약 320억달러로, 이 중 신경과학 분야 예산은 57억달러에 달했다.
지난해 유럽의 휴먼 브레인 프로젝트에 자극을 받은 미국 정부는 1990년대 최초로 인간 전체 유전자 지도를 그려 낸 '인간 게놈 프로젝트'의 뒤를 잇는 대형 국가 프로젝트로 뇌 과학 연구를 위한 '브레인 이니셔티브 프로젝트'를 발표했다. 이 프로젝트는 인간의 두뇌 작용 연구와 포괄적인 뇌 활동 지도 작성을 통한 첨단 기술 개발을 목표로 한다. 발표 당시 오바마 대통령은 "아폴로 우주 계획에 버금가는 미국의 위대한 프로젝트가 될 것"이라면서 "뇌질환 치료 뿐 아니라 여러 산업의 폭넓은 응용이 기대되며, 국가 경제성장과 고용창출 효과가 막대할 것"이라고 강조했다.
최근 미국 국립보건연구원(NIH)은 브레인 이니셔티브 프로젝트의 구체적인 로드맵을 발표하면서 7가지 연구분야와 10년 동안 45억달러의 연구비를 제시했다. 7가지 연구 주제는 신경 세포의 종류별 구분, 뇌신경 지도 제작, 뇌신경 활동 모니터링, 뇌 활동이 동작하게 하는 방식 입증, 데이터 분석을 위한 이론과 기술 개발, 인간의 뇌와 질환에 대한 이해, 모든 연구를 바탕으로 뇌가 인지·감정·지각·행동을 일으키는 방법을 아는 것 등이다. 로드맵에 따르면 전반부 5년은 뇌 연구를 위한 기술 개발에 초점을 맞추고, 다음 5년은 개발된 기술을 활용한 뇌 과학 연구에 집중한다.
이 프로젝트에 따라 연구개발을 진행하고 있는 앨런 뇌과학연구소는 최근 쥐의 뇌신경망 3D 지도를 작성하는 데 성공하기도 했다. 이 3D 지도는 인간이 난치병에 걸렸을 때 뇌신경망에서 어떠한 오류가 발생하는 지에 대한 단서를 제공해 인간의 뇌 활동 연구에도 중요한 이정표가 될 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
한·중·일, '미국·유럽 따라 잡자'
일본은 '종합적 인간 과학의 구축'과 '사회에 대한 공헌'을 뇌 연구의 주요 목표로 정하고 21세기를 대비한 '뇌과학 프로젝트'를 뇌 연구를 지원해 왔다. 1998년부터 이화학연구소 내에 '뇌과학 종합연구소'를 설치, 이 연구소에 이화학연구소 내에서도 가장 많은 연구인력과 예산을 배정해 뇌의 이해, 뇌의 보호, 뇌의 창조, 뇌의 육성 등에 대한 연구를 진행하고 있다.
중점 연구방향은 복합적 방법을 적용한 기억·학습·인지·사고·운동 제어의 통합적 해명과 노화 과정에 있어서 뇌 기능의 물질적·기능적 변화 해명, 타 기술 분야와의 융합에 의한 새로운 영역 창출, 모델 동물 개발 등 기반기술 강화이다. 중국은 1999년 신경과학연구소(SIN), 국립뇌연구소(ION) 등을 설립하고, 최근 신경과학 분야에 집중 투자하고 있다. 특히 신경통과 통증 등 기능성 질환군에 대한 연구를 활발히 추진 중이다.
우리나라는 지난 1998년 제정된 '뇌연구촉진법'에 근거해 범정부적으로 뇌 연구를 지원하고 있다. 2017년까지 세계 7위 뇌연구 선진국 진입을 목표로 R&D 핵심역량 강화, 연구개발 시스템 혁신, 산학연 협력 및 인프라 기반구축 등의 3대 전략을 추진 중이다. 경쟁 국가에 비해 늦은 감은 있지만 2011년 뇌 전문 연구기관인 ‘한국뇌연구원(KBRI)’을 설립, 국내 뇌연구 역량을 결집하고 다학제간 융합 뇌 연구를 위한 기반을 확립키로 했다.
하지만 아직까지 정부 투자액은 선진국에 비해 미흡한 수준이다. 지난해 미래창조과학부, 교육부, 산업통상자원부, 보건복지부 등 관련 부처가 공동으로 작성한 '2013년도 뇌연구촉진시행계획'에 따르면 2010년 기준으로 우리 정부의 뇌 연구 투자액은 630억원에 달한다. 이는 미국의 0.99%, 일본의 21% 수준이다. 뇌 연구 투자 비중이 생명공학 분야에서 차지하는 비중 역시 3% 수준으로, 미국(18%), 일본(7%), 영국(20%) 등과 비교해 격차가 컸다. 단 지난해 총 864억원, 올해 약 1100억원 수준으로 뇌 연구에 대한 투자액이 늘고 있어는 점은 고무적이라는 분석이다.
앞으로 경쟁이 더 치열해질 뇌 연구 분야는
뇌의 활동을 초 단위로 측정해 화상으로 바꾸는 기술은 최근 2∼3년 사이에 급속히 발전하고 있다. 기능적 자기공명영상장치(fMRI) 등을 통해 사람이 기쁨이나 원망 등의 감정을 느낄 때 뇌의 어느 영역이 활발하게 움직이는지를 파악할 수 있게 됐다. 이 기술의 정밀도를 높일 수 있다면 상품 개발 과정에서 소비자의 인식을 파악하는 등에 활용할 수 있을 전망이다.
이외에도 양전자방출단층촬영(PET), 단일광자단층촬영(SPECT), 뇌파기기(EEG) 등 다양한 측정기기를 통해 뇌 활동에 대한 더 많은 정보를 파악할 수 있게 됐으며, 이를 활용한 연구 결과를 의학, 공학 등 다양한 분야에 접목해 제품·서비스 개발에 활용할 수 있을 전망이다.
뇌파를 이용해 기기를 조작할 수 있는 BMI 기술도 실용 단계에 도입했다. 이 기술은 두뇌에서 나오는 전기적 신호인 뇌파를 컴퓨터나 다양한 기기와 직접 연결해 신체를 사용하지 않고 제어하는 것으로, 생각만으로 휠체어나 로봇을 조종하거나 터치 없이 스마트폰 등 휴대기기나 웨어러블 기기를 작동시킬 수 있다. 향후 빅데이터 기술과 융합할 경우 응용범위나 실용성이 높아질 것으로 기대된다.
미래에는 인간의 뇌와 뇌를 직접 연결해 생각을 전달하는 `BBI'(뇌ㆍ뇌인터페이스) 기술까지 등장할 전망이다. 이미 미국 워싱턴주립대 연구팀은 한 사람의 뇌파를 다른 사람에게 보내 상대방의 손가락을 움직이게 하는 실험에 성공하기도 했다. IT 분야에서도 뇌 과학을 기반으로 한 다양한 혁신 기술이 개발되고 있다. IBM은 뇌의 신경세포를 모방해 데이터 저장과 계산을 동일한 칩에서 처리하는 반도체를 개발 중이다. 구글은 컴퓨터가 인간의 뇌처럼 인지, 학습, 추론하는 인공지능 시스템 기술을 개발하고 있다.
글=남도영 과학컬럼니스트
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