오가노이드 지능 (Organoide Intelligenz)은 생물학과 컴퓨터 공학의 경계에 있는 연구 분야입니다. 살아있는 인간의 뇌세포가 실험실에서 계산하고 학습하는 것을 목표로 합니다. 멜버른의 Cortical Labs 팀은 2022년에 놀라운 일을 해냈습니다. 800,000개의 뉴런으로 구성된 세포 덩어리가 비디오 게임 Pong을 학습한 것입니다. 단 하나의 트랜지스터도 사용되지 않았습니다.

바이오컴퓨팅 (Biocomputing)이 기존 칩과 다른 점

**바이오컴퓨팅 (Biocomputing)**은 정보 과학의 논리를 뒤집습니다. 지금까지 엔지니어들은 뇌의 기능을 실리콘으로 힘들게 재현해 왔습니다. 인공 신경망 (Artificial Neural Networks)이 수십 년 동안 해온 방식입니다. 대신 바이오컴퓨팅은 생물학적 원형 그 자체를 사용합니다.

연구자들은 살아있는 인간 신경 세포를 배양합니다. 그들은 전극을 통해 세포를 칩과 연결합니다. 그런 다음 세포가 진화 과정에서 형성된 목적 그대로 행동하게 만듭니다. 세포는 학습합니다.

Cortical Labs는 Pong 게임을 하는 이 시스템을 DishBrain, 즉 배양 접시 안의 뇌라고 부릅니다. 2024년 중국 텐진 대학교의 연구진은 여기서 한 발 더 나아갔습니다. 그들의 오픈 소스 (Open Source) 시스템인 MetaBOC는 인간 뇌 오가노이드 (Brain Organoid)가 자율적으로 로봇을 제어하게 했습니다. 로봇은 장애물을 피하고 물체를 잡았습니다.

이것은 현대적인 줄기세포 (Stem Cells) 덕분에 가능해졌습니다. 약 20년 전, Shinya Yamanaka는 이 기술을 설명했습니다. 오늘날에는 단 하나의 피부 세포로부터 모든 조직을 배양할 수 있습니다. Hartungs 그룹은 2016년 최초로 수천 개의 오가노이드를 거의 동일하게 제조했습니다.

왜 뇌세포가 수백만 배 더 효율적으로 계산하는가

**오가노이드 지능 (Organoiden Intelligenz)**의 큰 약속은 에너지 효율성입니다. 오늘날 AI는 엄청난 양의 전력을 소비합니다. 전 세계 데이터 센터의 전력 소비량은 2034년까지 연간 약 1,580 테라와트시 (Terawatt-hours)에 달할 것으로 예상됩니다. 이는 인도 전체의 연간 소비량에 해당합니다.

반면 인간의 뇌는 극도로 절약하며 작동합니다. 뇌의 무게는 MacBook과 비슷한 약 1.4kg에 불과합니다. 뇌의 계산 능력은 약 1 엑사플롭 (Exaflop)에 달합니다. 슈퍼컴퓨터는 2022년 6월에 처음으로 이 수치를 돌파했습니다.

이 컴퓨터의 비용은 6억 달러였습니다. 면적은 680제곱미터에 달했습니다. 그리고 뇌보다 약 100만 배 더 많은 에너지를 필요로 했습니다. 기업들이 오늘날 모델들의 에너지 갈증을 어떻게 줄이고 있는지는 당사의 로컬 AI 보고서에서 확인할 수 있습니다.

DNA 컴퓨팅 (DNA-Computing)과 생체 컴퓨터의 물리적 한계

생물학을 계산에 활용한다는 아이디어는 새로운 것이 아닙니다. 이미 1994년에 컴퓨터 과학자 레너드 애들먼 (Leonard Adleman)은 시험관 안에서 경로 찾기 문제 (Pathfinding problem)를 해결했습니다. 애들먼은 RSA 암호화의 공동 발명자로도 알려져 있습니다. 그는 7개 도시를 통과하는 경로를 DNA 가닥에 코딩했습니다.

염기 쌍 형성 (Base pairing)이 계산 작업을 스스로 수행했습니다. 7일 후, 액체 한 방울 안에 경로가 나타났습니다. 이 실험은 DNA 컴퓨팅 (DNA-Computing)의 탄생으로 간주됩니다. 오늘날 마이크로소프트 (Microsoft) 또한 DNA에 데이터를 저장합니다.

단 1세제곱밀리미터의 DNA에는 약 1 엑사바이트 (Exabyte)가 담길 수 있습니다. 이는 10억 기가바이트에 해당합니다. 또한 DNA는 수천 년 동안 보존될 수 있습니다. 하지만 데이터를 저장하는 것은 분자를 이용해 계산하는 것보다 훨씬 쉽습니다.

바로 이 지점이 핵심적인 문제입니다. 모든 뇌 배양물은 개별적인 개체입니다. 연구자들은 이를 복제하거나 프로그래밍할 수 없습니다. 모든 진동은 전극과의 접촉을 위협합니다. 접촉이 끊어지면 전체 기억이 소실됩니다.

퐁 (Pong) 게임을 하는 세포들이 아직 진정한 지능을 보여주지 못하는 이유

퐁 게임을 하는 세포들 또한 아직 진정한 **오가노이드 지능 (Organoid Intelligence)**을 보여주는 것은 아닙니다. 그들의 행동은 오히려 반사적인 것에 가깝습니다. 세포들은 처벌을 피하기 위해 스스로를 정렬합니다. 이를 지능이라고 부를 수는 없습니다.

처벌로는 전기적 노이즈 (Electrical noise)가 사용됩니다. 이는 세포들에게 단지 오류를 피하는 법만을 가르칩니다. 도파민 (Dopamine)의 모델을 따르는 진정한 보상 자극은 아직 결여되어 있습니다. 이러한 동기 부여를 유도한 사람은 아직 아무도 없습니다.

진정한 오가노이드 지능은 더 나중에 시작됩니다. 세포들은 게임 하나를 학습해야 합니다. 그 후 두 번째 게임을 더 빠르게 숙달해야 합니다. 지금까지 이 증거를 제시한 사람은 아무도 없습니다. 장기 기억 (Long-term memory) 또한 입증되지 않았습니다.

Madeline Lancaster는 뇌 오가노이드 (Brain organoids) 분야의 개척자입니다. 그녀는 이 개념을 공상 과학 (Science fiction)이라고 생각합니다. 아이디어는 매혹적이지만, 과학은 아직 그 단계에 도달하지 못했다는 것입니다.

가장 큰 돌파구는 동물 실험의 종말

Thomas Hartung는 진정한 유용성이 다른 곳에 있다고 봅니다. Johns Hopkins University의 독성학자 (Toxicologist)인 그는 수년 동안 뇌 오가노이드를 연구해 왔습니다. 그의 출발점은 증가하는 자폐증 진단 수였습니다. 1970년대 미국에서는 어린이 10,000명 중 1명이 영향을 받았습니다.

오늘날에는 어린이 31명 중 1명이 영향을 받습니다. 이를 위한 전형적인 동물 실험 (Animal testing)은 아무런 통찰도 제공하지 못했습니다. 그 실험은 140만 달러의 비용과 2년의 시간을 소모했습니다. 이를 위해 1,000마리 이상의 동물이 소비되었습니다.

뇌 오가노이드는 여기서 탈출구를 제공합니다. 이들은 인간 조직에서 직접 물질을 테스트합니다. 오늘날 많은 위험한 부작용들이 임상 시험 (Clinical trial) 단계에서야 발견됩니다. 사고 능력에 대한 손상을 조기에 신호로 포착할 수 있다면 매우 큰 가치가 있을 것입니다.

Hartung의 연구팀은 이미 이를 입증했습니다. 조류 독소 (Algae toxins)는 조개와 굴에 축적됩니다. 이러한 독소들은 명확한 사고를 흐리게 합니다. 뇌 오가노이드 내에서 이 독소들은 유의미한 농도로 검출되었습니다.

오가노이드 지능이 신약 개발에 의미하는 바

경제적 지렛대는 제약 산업 (Pharmaceutical industry)의 이목을 집중시킵니다. 시장 출시가 하루 빨라지는 것은 약 100만 달러의 가치가 있습니다. 신약 하나가 승인을 받기까지 드는 비용은 약 25억 달러에 달합니다. 반면 오가노이드 실험은 주 단위로 진행됩니다.

실리콘 밸리의 한 암 스타트업 (Cancer startup)에서는 기존 모델의 한계가 드러납니다. 그곳의 비바리움 (Vivarium)은 동시에 최대 3,000마리의 생쥐를 수용합니다. 성공한 후에도 승인까지는 4년에서 6년이 걸립니다. 세 단계의 임상 단계 (Clinical phases)를 통해 안전성, 효능, 그리고 확장성을 검증합니다.

동물에서 인간으로의 도약은 여전히 거대합니다. 생쥐와 인간은 근본적으로 다릅니다. 암 연구 분야에는 뼈아픈 격언이 떠돕니다. 연구가 생쥐의 암은 수백 번 치료했지만, 인간의 암은 단 한 번도 치료하지 못했다는 말입니다.

뇌 오가노이드 (Brain Organoids)는 기초 연구에도 도움을 줍니다. 신경과학은 모든 시냅스 (Synapse)를 상세히 알고 있습니다. Sydney Brenner는 선충인 C. elegans에서 정확히 302개의 뉴런 (Neuron)을 지도화했습니다. 부족한 것은 이 모든 것을 의미 있게 결합하는 과정입니다.

오가노이드는 살아있는 시스템에서 이러한 결합 과정을 처음으로 보여줍니다. 연구자들은 이를 실시간으로 관찰하고 목표에 따라 제어합니다. 여기서 뉴로모픽 (Neuromorphic) 기술도 배웁니다. 이 기술은 뇌의 원리를 더 나은 칩 (Chip)으로 다시 전달합니다.

의식에 관한 윤리적 질문

실험실 안의 인간 뇌 조직 조각은 윤리적 문제를 제기합니다. 이것은 단지 동물 실험 문제를 옮겨놓은 것에 불과할까요? 그리고 연구자들은 이 세포 구체들이 의식을 가지고 있지 않다는 것을 어떻게 알 수 있을까요? Hartung은 이에 대해 명확한 답을 제시합니다.

오가노이드는 입력 (Input)도 출력 (Output)도 없습니다. 외부 자극이 없고 반응도 없다면 의식의 기반이 결여된 것입니다. 그의 팀은 Berman Institute of Bioethics와 긴밀히 협력하고 있습니다. 매주 한 명의 윤리학자가 회의에 참석합니다.

모든 관계자는 의견이 일치합니다. 연구는 가능한 의식으로부터 아직 멀리 떨어져 있습니다. 이러한 신중함은 신뢰를 구축합니다. 이는 다음 단계로 나아가기 위한 전제 조건입니다.

결론: 오가노이드 지능이 남기는 것

**오가노이드 지능 (Organoid Intelligence)**은 살아있는 생물학과 계산 (Computing)을 결합합니다. 죽은 실리콘 (Silicon) 대신 인간의 뇌세포를 사용합니다. 이 과정에서 에너지 요구량은 아주 작은 부분으로 줄어듭니다. 하지만 완전히 기능하는 바이오컴퓨터 (Biocomputer)는 여전히 미래의 이야기로 남아 있습니다.

더 큰 이득은 이미 오늘날 생물학 분야에 존재합니다. 뇌 오가노이드는 동물 실험을 불필요하게 만들 수 있습니다. 이들은 신약 개발을 현저히 가속화합니다. 그리고 뇌와 의식에 대해 더 많은 것을 가르쳐 줍니다.

기업들에게 여기서 하나의 패턴이 나타납니다. AI의 발전은 의학과 효율성에 직접적으로 기여합니다. 이러한 도약이 구체적으로 어떻게 활용될 수 있는지에 대해서는 당사의 AI 서비스를 통해 확인하실 수 있습니다.

자주 묻는 질문

오가노이드 지능이란 무엇인가요?

오가노이드 지능 (Organoid Intelligence)은 살아있는 인간의 뇌세포가 실험실에서 계산하고 학습하도록 만드는 시도를 설명합니다. 연구자들은 이를 위해 줄기세포로부터 아주 작은 뇌 오가노이드 (Brain Organoids)를 배양하고, 전극을 통해 이를 칩과 연결합니다. 실리콘 (Silicon) 상에서 뇌의 기능을 재현하는 대신, 이 분야는 생물학적 원형 그 자체를 활용합니다. Cortical Labs의 Pong 게임을 플레이하는 DishBrain과 같은 초기 데모는 단순한 학습 행동을 보여줍니다. 하지만 실제 지능에 도달하기까지 이 연구는 아직 갈 길이 멉니다.

세포 덩어리가 어떻게 Pong 게임을 할 수 있나요?

Cortical Labs는 약 800,000개의 살아있는 신경세포를 전극을 통해 컴퓨터와 연결했습니다. 세포들은 공의 위치를 통해 신호를 받았습니다. 공을 맞히면 상태가 조용하게 유지되었습니다. 공을 놓치면 벌칙으로서 전기적 노이즈 (Electrical Noise)가 뒤따랐습니다. 이를 통해 세포들은 단계적으로 구조를 재편하며 오류를 피했습니다. 이러한 행동은 반사적인 것이며 아직 진정한 사고는 아닙니다. 하지만 이는 신경 조직이 실험실 환경에서 피드백 (Feedback)에 반응한다는 것을 보여줍니다.

바이오컴퓨팅 (Biocomputing)은 기존 AI보다 에너지 효율적인가요?

인간의 뇌는 무게가 약 1.4kg에 불과하며 약 1 엑사플롭 (Exaflop)의 성능을 냅니다. 슈퍼컴퓨터는 2022년이 되어서야 겨우 이 수치에 도달했습니다. 그 슈퍼컴퓨터는 6억 달러의 비용이 들었으며 약 100만 배 더 많은 에너지를 필요로 했습니다. 바이오컴퓨팅은 바로 이 격차를 메우고자 합니다. 이론적으로 살아있는 세포는 수백만 배 더 절약하며 계산할 수 있습니다. 그러나 실제로는 실제 컴퓨터에 필요한 안정적이고 복제 가능한 계산 단위가 아직 부족한 상태입니다.

뇌 오가노이드가 동물 실험을 대체할 수 있나요?

Thomas Hartung에게 이것은 진정한 유용성입니다. 뇌 오가노이드는 인간의 조직으로 구성되어 있어 생쥐보다 더 유의미한 정보를 제공합니다. 이들은 수년이 아닌 수주 만에 테스트가 가능하며, 동물의 고통 없이 진행할 수 있습니다. Hartung의 연구 그룹은 이미 조류 독소가 오가노이드의 명확한 사고 과정을 측정 가능한 수준으로 방해한다는 것을 입증했습니다. 이러한 윤리적, 과학적, 경제적 이점의 삼박자는 이 방법을 제약 연구 분야에서 특히 매력적으로 만듭니다.

Haben Hirnorganoide ein Bewusstsein?

현재 수준으로는 아닙니다. Hartung은 오가노이드(Organoids)가 입력(Input)도 출력(Output)도 가지고 있지 않다는 점을 근거로 이를 설명합니다. 외부 자극이 없고 외부로의 반응도 없다면 의식(Bewusstsein)을 위한 기초가 결여된 것입니다. 그의 연구실은 Berman Institute of Bioethics와 긴밀히 협력하고 있습니다. 한 명의 윤리학자가 매주 회의에 참석합니다. 모든 관계자는 이 연구가 어떠한 형태의 의식과도 거리가 멀다고 보고 있습니다.