[21세기 과학 대탐험](14)뇌과학
21세기 초반의 아침 7시. 감미로운 음악이 경쾌하게 바뀌고 점점 조명이 밝아지면서 K씨는 깊은 잠에서 깨어 즐거운 하루를 시작한다.음악은 깊은 잠을자도록 도와주기도 하지만,자연스럽게 잠에서 깨주기도 한다.조금 더 자고싶기도 하지만,음악이 점점 시끄러워지고 조명이 밝아질 것이다.침대가 요동칠 것이고,그래도 안되면 병원에 자동으로 연락할 것이다.K씨는 그런 일이벌어지기 전에 일어나기로 한다.
샤워를 하고 거실의 소파에 앉으니 벽에 걸린 대형 화면에 L이 나타나서 조간 신문 중 K씨의 관심사들을 읽어 준다.L은 K씨의 친구이자 비서이며 가정부 겸 운전사인 인조인간,즉 ‘인간기능시스템’이다.
보고,듣고,생각하고,행동하는 기능을 보유한 L은 여러 개의 몸체를 갖고 있으나 하나의 통합된 인공두뇌로부터 지시를 받는다.
부엌에서 아침 식사를 준비하고 있는 것도 인공가정부 기능을 수행 중인 또다른 L이다.
집을 나서서 대기하던 자가용차에 타자,인공 운전사(역시 L)가 교통상황을파악해 오늘의 첫 목적지로 최단시간에 도착한다.L은 운전 중에도 오늘의 할일을 보고하고,업무에 대한 제안을 한다.
사무실에도 일하는 사람은 많지 않다.모두 L과 같은 종류의 인간기능시스템을 비서로 가지고 있기 때문이다.사실 사무실로 출근하지 않고 집에서만 일할 수도 있지만,동료와 가끔 얼굴을 마주하는 것이 좋아서 대부분 하루에 2시간 정도 사무실에서 일한다.
K씨는 동료 M과 보다 향상된 성능의 인간기능시스템 개발에 대해 토의한다.
M은 뇌과학기술이 인류사회의 발전을 가져온다는 ‘신념’을 가지고 있다.원래 청각시스템에 이상이 있어 듣지 못했으나 청각칩을 이식받아 일상 생활은물론 업무에 어려움이 없다.또 다른 동료 N은 시각 장애인이었으나 망막칩을이식받았다. 망막칩의 성능이 떨어져서 작은 글씨는 읽지 못하지만,일상 생활에 큰 어려움이 없다.신문은 물론 모든 문서가 전자화되어 인공비서가 읽어준다. 가끔 종이에 쓰여진 아주 오래된 책을 보아야할 때가 있으나, 이것역시 필요하면 번역까지 해서 인공비서가 읽어준다.인공 망막칩,청각칩 및인공수족의 발전으로 장애인이 없는 사회가 됐다.
번잡한 도시를 피해 고향에 내려가 계신 부모님에게 전화를 했다.부모님은연세가 많아 행동이 부자유스럽지만,인공 가정부,간호사 겸 말벗과 함께 행복하게 사신다.미국에 있는 아내,아들,딸과도 전화한다.옛날에는 말만 통화할 수 있었다고 하지만 요즘은 서로 볼 수 있을 뿐아니라,특수 장갑과 장화,전용 옷을 입으면 가상공간에서 가족들을 만날 수도 있다.L는 가끔 아내와춤을 추거나 아들과 농구를 하기도 한다.딸은 아직 어려서,엄마가 출근한 사이에 인공 가정교사 겸 보모가 돌봐준다.인공가정교사로부터 아이의 하루 일과 중 특이사항을 보고 받고,내일의 교육 방향에 대해 토의도 한다.
이러한 21세기 사회를 가능하게 하는 인간기능시스템의 구현을 위해서는 인간의 뇌 정보처리 메커니즘에 대한 연구가 필수적이다.인간의 두뇌는 약 180억개의 신경세포와 이들을 상호 연결하는 약 100조개의 시냅스(synapse·신경세포의 자극전달부)로 구성된다.이들의 복합적인 작용이 인간의 두뇌기능을 이루게 되나,뇌의 세부적인 구조와 기능에 대해서는아직 아는 것이 많지않다. 그러나,조금 아는 것을 이용하더라도 기존의 기법에 비해 훨씬 우수한인간기능을 구현할 수 있다. 20세기 중반에 비해 후반기 50년간 인간 두뇌의구조와 기능에 대한 이해가 급격히 높아졌으며 앞으로 더욱 가속될 것이다.
뇌정보처리 메커니즘을 모방하는 인간기능시스템의 급격한 발전이 예측된다.
인간은 5종류의 감각(시각·청각·후각·미각·감각)으로부터 정보를 받아들인다.이중 시각과 청각을 통해 대부분의 정보를 얻기 때문에 인간 뇌의 4대 기능을 시각,청각,추론 및 행동으로 분류한다.공자는 “예의가 아니면 보지 말고,듣지 말고,말하지 말고,행동하지 말라”고 했는 데 여기서 ‘말’은단순한 음파가 아닌 사람의 생각까지를 포괄하므로,결국 앞의 4대 기능과 일치한다.인간기능시스템도 위의 4가지 기능을 가져야 하는데 이는 바로 인간이 제일 잘하지만 현재의 컴퓨터가 잘 하지 못하는 기능으로,인간의 뇌에 대한 이해를 통해서만 발전할 수 있다.
뇌는 ‘인간을 인간이게 하는 것’이라고 한다.인간의 두뇌는 주위 환경과반응하며 지속적인 학습을 통해 지능을 구현한다.컴퓨터의 경우 사용자가 미리 프로그램한 내용만을 처리할 수 있는 반면 인간의 두뇌는 새로운 문제에부딪치더라도 과거의 경험을 확장하는 유추 과정을 거쳐 적절한 대응을 하게된다. 어린아이는 걷지도 못하지만,스스로 여러 번의 시행착오를 거쳐 걷는방법을 배우게 된다.한 쪽 발이 갑자기 아파도,몸무게가 늘거나 줄어도 걷기위해 특별히 프로그램을 갱신하지 않는다. 이는 인간의 두뇌가 법칙이 아닌학습과 유추에 기반하기 때문이다.
인간 두뇌의 또 다른 특징은 한 개의 중앙처리장치(CPU)에 의해 제어되지않고,많은 수의 신경세포가 복합적으로 작용하는 분산시스템이란 것이다.따라서,인간 뇌의 신경세포는 계속 죽어가지만,인간의 기능이 크게 후퇴하지않게 된다.기존 컴퓨터처럼 중앙처리장치와 기억을 전담하는 메모리가 따로있는 것이 아니고,계산과 기억이 복합적으로 구성된다.이러한 뇌 기능의 특수성에 바탕해 새로운 형태의 계산구조인 신경회로망 모델이 개발됐다.
생명에 대한 이해와 정보전자 기술의 양대 축으로 21세기 과학기술은 발전하게 되고,이것이 산업혁명과 컴퓨터 혁명에 이은 ‘제 3의 혁명’,즉 뇌정보처리 혁명을 이룩하게 된다.그러나,21세기를 주도할 뇌정보처리에 기반한인간기능시스템을 로봇과 동일하게 봐서는 안된다.‘로봇’은 ‘명령에 따라일하는 자’일 뿐이다.
21세기 뇌정보처리 혁명은 멈출 수 없는 필연이다.인간기능시스템의 지원을받으며 인간답게 사는 사회.이것이 바람직한 21세기의 인류사회이다.
‘기계에게 지능을,인간에게 자유를!’.
이수영 한국과학기술원 전자전산학과 교수.
■필자 약력.
▲47세 ▲서울대 전자공학과 학사·한국과학기술원(KAIST) 석사 ▲미국 뉴욕공과대학 박사 ▲뇌과학연구센터 소장 겸 중점국가연구개발사업 뇌과학연구개발사업단장 ▲아·태 신경회로망협의회 차기회장 ▲한국과학기술원 전자전산학과 교수(sylee@ee.kaist.ac.kr).
*각국 뇌연구 동향.
뇌는 생존에 필수적인 심장박동에서부터 창조적 사고까지 인간의 모든 활동을 제어한다.이같은 뇌의 기능을 이해하고 과학적으로 응용하기 위한 연구가활발하다.
뇌에 관한 연구는 치매 등 각종 뇌질환을 극복하는 데 필수적이며 사람의두뇌와 유사한 지능형 시스템의 개발 등 미래산업분야에 무한한 이용가능성을 가지고 있지만 많은 시간과 비용을 요구하는 분야다.때문에 대부분 선진국들은 이 미지의 영역을 정복하기 위해 국가적인 노력을 기울이고 있다.
미국은 부시대통령 재임 당시 의회에서 1990년대를 ‘뇌의 10년’으로 선포했고 국립보건원(NIH)에서 지속적으로 ‘인간두뇌과제’를 지원하고 있다.일본은 21세기를 ‘뇌의 세기’로 구현하기 위해 과학기술청과 통상산업성이연구비를 집중 투자하고 있다.OECD(경제협력개발기구) 거대과학 포럼은 신경정보학 연구의 촉진과 범국가적 공동연구의 필요성을 제안,지난해 1월 신경정보학 소위원회가 개최되기도 했다.
우리나라는 98년 ‘뇌연구촉진법’이 제정돼 뇌연구를 위한 기반이 조성됐다.10년 계획으로 과학기술부를 주축으로 복지부,산자부,정통부 및 교육부의5개 부처가 협력해 뇌연구개발사업을 하고 있다. 지난해에는 ‘뇌연구촉진기본계획’을 수립,오는 2007년까지 뇌이해 및 뇌정보처리 응용기술과 대표적뇌질환인 치매의 치료제를 개발한다는 목표를 세웠다.
뇌연구는 먼저 신경생물학과 인지과학적 연구를 통해 뇌의 구조와 기능을이해하는 데서 출발한다.이를 바탕으로 시청각 추론 행동 등 인간의 지적기능을 인공적으로 구현한 지능시스템을 개발한다.지난해 미국서 개발된 인간의 뇌신경망을 모방한 컴퓨터 알고리즘,청각신경과 직접 연결되는 인공 귀의언어인식능력, 큰 글씨와 물체를 식별할 수 있는 인공 눈 등이 뇌 정보처리연구의 산물이다.뇌세포의 생성과 사멸에 대한 연구를 통해 치매 등 뇌·신경질환의 예방기술과 치료제,전자회로와 신경세포를 연결하는 신경칩 기술개발도 가능하다.
우리나라의 뇌연구는 뇌정보처리 분야와 뇌의약학 분야로 나눠 추진된다.뇌정보처리는 한국과학기술원(KAIST) ‘뇌과학연구센터’(braintech.kaist.ac.
kr)가,뇌의약학은 국립보건원 ‘뇌의약학연구센터’가 체계적이고 집중적인연구를 하고 있다.
함혜리기자 lotus@
