21C 뇌기반 융합기술시대의 도래

[신유열]

1) 융합과학 시대의 도래

21세기 세계는 여러 가지 변화에 직면하고 있습니다. 이들 변화로는 인구 팽창, 과학의 고도화, 에너지 문제, 그리고 자원 문제 등을 들 수 있습니다. 이러한 변화는 단순한 한 가지 문제가 아니므로 이에 대응하기 위한 방안 역시 단편적인 대응으로는 불가능하다는 것이 대부분 과학기술인들의 생각입니다. 이를 해결하고자 하는 노력에 대한 21세기 한국 사회의 핵심 키워드는 “통섭 (統攝,Consilience)”과 “융합 (融合, convergence)”이 아닐까 싶습니다. 통섭이라는 단어는 성리학이나 불교에서 이미 사용되어온 용어로 '큰 줄기를 잡다'라는 뜻이며, 융합은 “둘 이상의 요소가 합쳐져 하나의 통일된 요소로 조화로워 진다”는 것을 의미합니다. 

17세기 산업화로 촉진된 기술혁명은 새로운 교통수단의 도입과 발전으로 지역간의 지식소통을 가능하게 하였고 지난 세기 정보화시대에서 이룩한 인터넷의 발전은 세계화를 촉진하였습니다. 세계화의 쓰나미를 통해 밀려오는 정보들은 보통 사람의 뇌가 감당하고 소화해 낼 수 있는 한계를 넘었으며, 넘쳐나는 파편화된 지식속에서 역설적으로 인간의 상상력과 창의성은 도리어 위축되는 상황이 되어 버렸습니다. 이런 시기에 “통섭”과 “융합”이란 단어는 왜소해져만 가는 우리의 상상력과 창의성을 다시 끄집어내는 마법의 주문과도 같다 하겠습니다. 

20세기는 정보화를 기반으로한 전문화 시대이며, 21세기는 빅 사이언스의 시대 그리고 “융합과학”의 시대라고 합니다. 20세기는 한 분야의 심화지식과 이해를 중요시했다면 21세기는 여러 분야의 지식이나 기술의 통합과 융합을 중시하는 시대라 하겠습니다. 

지난 세기 진행된 전문화의 가속화는 지식의 심화에는 성공을 이루었지만 그 부작용으로 지식의 고립화와 파편화를 초래했습니다. 정답이 같음에도 불구하고 전공분야에 따라 해법이 상이했고 그에 따라 축적되는 지식 또한 다르게 간주되어 지식 소통의 단절이 반복되었습니다. 즉 같은 목표를 향해 연구하지만 목표의 일부분만을 이해하게 되고 결국 목표를 입체적으로 파악하고 이해하지 못하는 지식의 불구를 유발했습니다. 이에 현대는 목표를 입체적으로 이해하고 연구를 추진하는 융합과학의 필요성이 더욱 절실해졌고, 이제 흩어진 조각들을 모아 전체를 이해하고 또 한걸음 앞으로 나아가는, 이를 통한 통합적인 지식의 완성을 이루려는 시도가 태동하고 있습니다. 다학제간 연계라는 물리적으로 여러 학문을 통합하는 것이 아닌, 각 분야의 전문 지식과 기술을 화학적으로 융합하여 새로운 학문 기술을 도출하여 문제를 해결하는 융합과학의 시대가 왔습니다. 즉, 기존의 전문화된 여러 과학기술 분야의 단순한 물리적 결합이 아닌 지식의 통합을 통한 화학적 융합으로 조화롭게 탄생한 새로운 지식을 창조하는 연구가 필요한 시대입니다. 융합과학은 문제해결을 위한 기술 간의 융합을 전제하므로 사회 환경과 기술 변화에 빠르게 반응해야 하는 매우 목표지향적인 과학이며, 이는 빠른 속도로 변화하는 현대 사회에 가장 적합한 지식창조의 방법이라 할 수 있습니다. 

미국과학재단은 현재를 정보화시대의 성숙기라 판단하고 정보화를 통해 달성한 과학과 기술은 앞으로 나노-바이오기술을 이용해 인류복지에 기여하는 과학과 기술의 시대가 올 것이라 예측하고 있습니다. 상대적으로 짧은 나노-바이오시대를 거쳐 인류는 학문과 기술의 경계를 허무는 융합과학기술시대를 맞이하게 될 것이며, 이를 통해 인류 삶의 질을 극대화 시켜 줄 것이라 기대하고 있습니다. 융합과학 시대의 도래와 이러한 시대적 요구에 부응하고자 국가 차원의 융합과학의 중요성에 대한 논의가 활발히 진행되고 있으며, 실제 많은 대학과 연구소들에 융합과학을 표방하는 학과와 연구실이, 또 산업에도 파급되어 융합을 표방하는 기업도 속속 등장하는 추세입니다. 

2) 뇌연구와 뇌융합

뇌를 연구한다는 것은 인간의 육체와 정신을 모두 이해하고자 하는 것으로 이미 한 가지 분야 기술로 접근할 수 없는 태생적인 한계를 갖고 있고, 어쩌면 뇌는 그간 21세기“융합과학”의 시대의 도래를 기다리며 자신의 정체를 신비함으로 포장한 채 감추고 있었는지도 모르겠습니다. 지난 세기 말부터 세계 선진국들은“뇌”를 주목하였으며 21세기를“뇌의 시대”라고 말하고 있습니다. 21세기, 고령화에 따른 뇌 기능 저하, 산업 고도화에 따른 뇌 학습의 과부하로 인류는 고통을 받고 있습니다. 또 이로 인해 유발되는 뇌 질환에 대한 관심과 새로운 학습법 도입의 필요성이 절실하게 대두되고 있습니다. 

뇌연구는 뇌신경계의 신경생물학 및 인지과학적 이해를 바탕으로 미시적 또는 거시적 수준에서 뇌의 구조 및 기능의 근본원리를 파악하고 이를 응용하는 연구입니다. 뇌연구는 과거 여러 분야에서 독자적으로 수행되었으나, 최근 뇌연구는 분야 간 통합 및 융합 연구 추세가 강화되고 있으며, 융합과학기술분야 기반기술로서 단지 과학 분야뿐만 아니라 인문, 사회 분야 등의 각 산업분야에 커다란 파급효과를 미치고 있습니다. 과학계의 마지막 블루오션이라 불리는 뇌연구는 IT·NT·BT 등의 기술 융합을 통해, 인간의 지적 능력을 기계로 구현하며, 뇌의 작용원리와 의식현상을 연구하여, 의학·공학 분야 및 마케팅·교육·인공지능 개발 등 여러 분야에서 인간의 삶을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대하고 있습니다. 
 

정리하면 뇌연구는 인류최후의 연구 분야(the last frontier in science)로써 인간의 본질을 규명하는 원천연구분야로 IT․NT․BT 등 다양한 기술의 융합이 필요한 목표지향적 연구분야로 향후 21세기 특히 중·후반부는 뇌중심의 융합기술시대의 도래가 기대됩니다. 이에 필자는 현재 진행되는 국내외 뇌융합 연구의 동향을 정리하여 다가오는 미래 융합기술시대의 총아로 각광받을 뇌융합분야의 앞날을 진단해보고자 합니다.

2. 본론

1) 뇌융합 연구의 과제

해외 여러 선진국은 ‘뇌의 10년’ 1단계 뇌연구 프로젝트가 종료된 후 ‘뇌의 역공학¹⁾ 10년(The Decade of Reverse Engineering the Brain)'을 선언하며 뇌융합 연구의 중요성을 강조하였으며, 현재 뇌융합연구의 당면과제는 인간의 뇌를 시뮬레이션 하는 연구입니다. 

1)  역공학(Reverse Engineering): 분해공학, 역설계를 의미하는 용어로서 신제품을 설계하여 구조를 정밀하게 분석하고 그 설계를 역으로 탐지하는 기술.

인간의 뇌는 현존하는 생물체 중 가장 강력한 컴퓨팅이며 네트워킹으로 알려져 있습니다. 인체를 들여다보면 약 666조개의 세포가 자율신경망시스템의 병렬분산시스템으로 연결하고 있으며, 이들 세포들 중 정보를 수집-편집-결정하고 명령을 내리는 것이 바로 신경세포인 뉴런(neuron)인데, 이러한 뉴론은 우리 몸에 대략 200억 개가 존재합니다. 뉴론은 연접(synapse)이라는 독특한 방식으로 다른 뉴론과 신호를 교환하는데, 하나의 뉴런당 1,000개의 연접이 존재한다고 추정합니다. 뉴런과 뉴런의 연결에 의하여 외부로부터의 자극을 인식하고 이를 바탕으로 행동을 나타나는 신경정보 처리과정이 이루어져야 하는데, 이 과정을 이해하면 뇌의 시뮬레이션이 가능합니다. 정확한 뇌의 시뮬레이션을 위해 뇌기능을 정확히 측정하고 뇌에서 발생하는 신호를 분석하거나 영상화하는 기술의 개발이 필수적입니다.

2) 뇌융합 연구 환경변화

뇌융합 연구환경의 변화를 보면, 첫째 정보화시대와 나노-바이오시대의 경계에서 이들 기술을 기반으로 뇌공학 기술의 응용성이 강조되고 있습니다. 정보화기술 발전으로 뇌의 모방, 뇌와 인간간의 공학적 접속 기술 실용화 가능성이 증대하고 있고, 나노-바이오 기술의 비약적 발전에 따라 뇌질환 제어 약물의 전달기술과 뇌기능 항진 기술의 수요가 증가하고 있습니다. 둘째, 통합적 제어응용 기술 활용의 일환으로 인체 질병의 통합적 관리 및 제어시스템에 대한 수요가 증대하고 있습니다. 뇌기반, 뇌기능정보 기술에 기반을 둔 제 인체 질환을 통합적으로 조절하는 시스템 구축과 유비쿼터스-건강관리 시스템 응용 확산으로 뇌융합 기술을 상용화하는 산업적 파급효과가 기대되고 있습니다. 마지막으로 삶의 질을 중시하는 복지사회의 도래는 뇌융합기술을 활용한 미래 신산업 창출의 필요가 급증하고 있습니다. 경제, 스포츠, 레저, 게임, 패션, 문화, 교육 등에 뇌융합 기술을 활용한 신산업이 태동하고 있으며, 개인의 능력 및 집단의 능력 극대화를 위해 의사소통 기술의 응용확대 일환으로 뇌-기계 인터페이스 뇌융합기술의 필요도 급증하고 있습니다.

3) 뇌융합 주요연구 분야

○ 뇌기능 측정

뇌기능 측정은 전기생리학적 정보를 제공하는 기술과 생화학적 정보를 제공하는 기술로 크게 구분되며, 이들 기술이 제공하는 정보는 상호 보완적입니다. 각각의 뇌기능 측정기술은 장점과 단점을 가지고 있으며, 제한된 정보를 제공하므로, 이들을 융합하여야 통합적인 분석이 가능합니다. 뇌기능 측정연구를 통해 뇌기능 이해를 위한 기반기술을 제공하게 되며,  뇌질환진단 도구로도 사용이 기대됩니다.

현재 세계 선진국의 연구동향을 보면, 단순 뇌기능을 측정하는 것은 물론 공간분해능과 시간분해능을 향상시키는 기술개발이 진행 중이며, 해부학적 좌표에 기능정보를 중첩시키는 것이 보편화되고 있습니다. MRI를 이용한 측정의 경우, 공간분해능 향상을 위해 MRI의 자기장 세기를 증가시켜 이미지 quality 향상을 꾀하는 것이 보편적인 접근방법이며, NT기술을 접목한 조영제를 개발하여 공간분해능 및 대사과정 이미징의 정확성 향상은 물론 신경섬유의 이미징을 위해 DTI 기법 개발 등이 현재 진행 중입니다. EEG의 활용은 실제 머리모형 뇌도체 모델링 및 역문제 기법의 발달로 공간 분해능을 향상시키기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 기술적으로 계산부하의 증가에 비해 공간분해능의 향상은 미미한 편이어서 최근 MRI와 EEG를 동시에 측정하는 연구가 시도되고 있습니다. 또 실시간 뇌신경활동을 측정하는 MEG와 해부학적 정보를 제공하는 MRI를 하나의 시스템으로 동시에 측정 가능한 기술 개발이 시작되고 있으며, 냉매를 사용하지 않는 MEG 시스템도 개발 중입니다.

국내에서도 활발한 기술개발이 진행 중이며, 뇌기능 측정기술에 관한 학회로서 대한뇌기능매핑학회(http://www.khbm.org/)가 창립되어 활동하고 있습니다. 가천의대 신경과학연구소(http://nri.gachon.ac.kr/)를 중심으로 초고자장 MRI와 PET를 결합하는 기술을 개발하고 있으며, 많은 연구진에 의해 MRI 조영제(Mn기반 및 나노자성입자)를 이용한 이미징 분해능 향상 기술 개발이 진행 중입니다. fMRI/EEG 동시 측정시스템을 이용한 연구(KAIST 박현욱교수, http://athena.kaist.ac.kr/) 역시 활발히 진행 중입니다.
 
○ 뇌 신호 및 영상 분석

뇌 신호 및 영상은 시간에 따른 변화가 크고, 다양한 변수가 작용하며, 측정 시간이 제한되어 있고, 잡음이 많은, 매우 복잡한 신호입니다. 따라서 뇌신호 및 영상 분석은 생체신호분석법 중 가장 어려운 기술로 인식되고 있습니다. 현재 물리학자, 컴퓨터 공학자, 전기공학자, 수학자 등 다양한 분야의 전문가들이 뇌신호 및 영상 분석법을 연구 중인데 융합과학의 전형적인 예라 하겠습니다. 진행 중인 연구주제로는 대뇌인지과정 시 신호 패턴 정량화, 신경정신질환 상태의 패턴 구분, 우울증 및 간질 발작 등 신경정신질환 발병 상태 예측 등입니다. 기술상의 난점은 있으나 사회적인 파급효과는 엄청난 분야입니다. 21세기는 뇌의 생체신호를 이용해 다른 신호분석에 획기적인 발전을 가져올 수 있습니다. 예를 들어 심장박동 패턴 분석이나 주가지수와 같은 경제 데이터 분석에도 활용이 가능합니다. 실제 신경경제학이란 새로운 분야는 이미 열려있으며, 신경경제학은 뇌과학과 심리학을 융합, 시장에서 인간의 선택과 의사결정에 관해 연구하는 학문입니다. 또한 신경마케팅은 소비자의 숨은 심리를 뇌과학의 원리를 이용, 밝혀내어 마케팅에 활용합니다. 실제 활용 예로는 사람들이 콜라를 선택할 때 맛보다 브랜드에 영향을 받는다는 사실을 밝혀내기도 했습니다(Neuroeconomics, Dr. Jonathan Cohen, Ann Rev Psychology 2008). 또 스마트폰을 통해 뇌신호 측정 및 실시간 분석장치가 내장될 전망이며, 향후 20년 내 뇌신호 및 영상은 병원이나 연구실에서만 활용되는 생체신호가 아닌 생활 속에서 쉽게 만날 수 있는 문화의 영역으로 편입될 것으로 예측하고 있습니다.

현재 세계 선진국의 연구동향을 보면, 뇌신호 분석법 개발은 독일(막스플랑크연구소를 중심으로)과 프랑스 등 유럽 국가의 여러 연구소 및 연구자들에 의해 활발히 진행되며, 현재 하나의 시계열 데이터 처리를 넘어, 다채널 시계열 데이터 사이의 정보 교환, 동기화 현상 등이 집중적인 연구주제입니다. 이를 바탕으로 다채널 시계열 데이터 시뮬레이션으로 연구방향이 발전될 전망입니다. 복잡계 과학과 비선형 동역학, 정보이론과 통계역학 등 다양한 이론들이 결합된 분석법이 연구 중이며, 실제 임상데이터 혹은 인지심리 데이터에 적용하는 연구를 통해 정확도, 신뢰도 등을 높이는 연구를 수행 중입니다. 뇌영상분석법 개발은 영국과 미국을 중심으로 활발히 진행 중(미국 : NIMH, 미국 국립보건원 산하 ‘국립정신건강연구소’, 영국 : University of College, London)입니다. 현재 전세계적으로 이 두 그룹에서 개발한 SMP와 AFNI 프로그램이 뇌영상분석 연구에 사용되고 있으며, 앞으로 Diffusion tensor imaging (DTI)이나 뇌구조 영상 (MRI, CT)과 결합된 multimodal data analysis 기법이 개발될 예정입니다. 이미  미국 주요대학 부설 병원(하버드, 스탠포드, 콜롬비아-코넬, 존스홉킨스)에서 뇌영상 분석법을 환자의 질병 진단, 발병 예측, 수술 사전 계획 등에 적용하는 연구를 집중적으로 수행하고 있습니다. 또한 매년 프랑스와 미국, 일본 등지에서는 뇌신호 및 영상분석법에 대한 교육(computational neuroscience summer school 또는 neuroimaging school을 통해 교육)을 진행하면서 연구진들을 양성하고 있는 추세입니다. 

국내 동향으로는, 뇌신호 처리의 경우 비선형동역학과 통계물리학 연구자들을 중심으로 집중적으로 연구되고 있으며, 대부분 뇌신경신호의 비선형적인 특징을 정량화하고 신경정신질병 진단 및 예측 등에 활용하는 방안을 연구 중입니다(충북대, 물리학과 비선형/신경동역학 연구실; 포항공대, 물리학과 비선형 및 콤플렉스 시스템 연구실; 고려대, 물리학과, 신경망동역학 연구실: 표준과학연구원, 생체신호계측연구단; 카이스트, 바이오 및 뇌공학과 신경물리학 연구실; 인제대, 컴퓨터 응용과학부 카오스21). 뇌영상 분석분야는 이미 세계적인 연구 성과를 얻고 있는데, 서울대 핵의학과 및 의공학과, 그리고 한양대 생체공학부, 연세대 진단방사선과 등에서는 fMRI, DTI, PET 데이터 분석에 대한 공학적 연구를 활발히 수행하고 있습니다. 또한 서울대 신경정신과 및 연세대 정신과, 삼성의료원 신경과, 카이스트 뇌과학 연구센터 fMRI 연구실에서는 뇌기능 영상기법, DTI, 초고속영상기법, 뇌기능 및 DTI 영상도시법, fMRI/EEG 통합분석 시스템 등의 연구가 활발히 진행 중입니다.

4) 뇌융합 연구 동향

이 부분에서는 뇌융합연구의 이해를 돕기 위해 제2차 뇌연구촉진기본계획(교과부, 2007)에 요약된 미국 MIT Technology Review 미래 유망 뇌 관련 기술을 최신 동향을 보완하여 정리하였습니다.

○ 새로운 영상기법을 이용한 고등 뇌기능의 규명

○ 해부학적 뇌영상 분석기술을 이용한 고등 뇌기능의 규명

○ 빛을 이용한 신경세포 조절 기술

○ 뇌-기계 접속 장치(Brain-Machine Interface)

○ 컴퓨터 모델링을 이용한 신경유전체학 지도 기술

○ 실리콘 브레인(Silicon Brain)

○ 기능성 전기 자극기(Functional Electrical Stimulation)

○ 인간사고 재현기술(Reconstruction of Visual Experiences)

5) 뇌융합 연구의 문제점

현대의 빠르게 변화하는 사회의 요구를 충족시키기 위해 기술도 빠르게 대응하고 있습니다. 뇌융합 분야도 예외는 아닙니다. 실제 인간의 능력을 극대화하고 신체·정신 장애를 극복할 수 있는 기술에 대한 사회의 욕구는 매우 높으며, 우리나라의 경우 과도한 교육열에 편승해 효능과 안정성이 과학적으로 채 검증되지 않은 뇌융합 관련 기술들이 대중에게 노출되어 우려를 낳고 있습니다. 사실 뇌연구는 필연적으로 윤리적 문제를 야기할 수밖에 없습니다. 뇌과학의 발달로 사람의 뇌를 조작하는 기술, 곧 뇌융합기술이 가능해졌기 때문입니다. 이에 미국에서는 뇌연구의 윤리적 문제를 성찰하려는 신경윤리 학술대회가 2002년 열리기도 했습니다. 최근 우리나라도 국가과학기술위원회(국과위)와 한국과학기술기획평가원이 올 기술영향평가 대상기술로‘뇌-기계 인터페이스’와‘뉴로 피드백’을 뽑아 사회·경제·문화·윤리·환경 등에 어떤 영향을 미칠지 예상하고 평가하는 작업을 수행하기로 하였습니다. 뇌융합기술의 총아라 할 수 있는 두 기술에 대해 부작용과 윤리·문화적으로 보완할 점이 없는지 살펴보기로 한 것은 매우 시의적절한 조치라 생각합니다. 앞에서 언급한 현대 뇌융합기술은 다른 사람의 생각을 읽을 수 있는 단계에까지 이르고 있어 이러한 국가의 검증기준을 넘어 뇌융합분야에 종사하는 과학기술인의 사회에 대한 책임감 역시 그 어느 때보다 높아야한다 생각합니다. 

3. 결론

21세기 후반기에는 뇌기반 융합기술의 시대가 도래 예정이며, 이에 대한 준비가 필요한 시기라 생각합니다. 현재 우리나라의 기술력이 축적된 IT와 NT분야와의 기술융합을 통해 뇌-기계 인터페이스 응용기술, 뇌영상기술, 뇌질환 제어 의약품의 전달 시스템의 기술개발은 상대적으로 빠르게 국제적 수월성을 갖출 것으로 예상되며, 현재 우리나라가 글로벌시장에서 주도하는 핸드폰, TV와 같은 각종 디지털기기 개발에 뇌신호 처리기술 및 뇌영상 분석기술의 적용분야를 발굴하여 뇌융합기술 기반의 차세대 디지털기기 산업을 선도를 준비하는 것도 중요합니다.  

뇌융합기술은 한 가지 학문과 기술로만 이뤄질 수 없는 것이기에 이를 위해 체계적인 뇌융합인력 양성에도 많은 관심이 필요합니다. 대학 및 뇌관련 연구기관 내 뇌과학 융합기술관련 협동과정 및 연구프로그램 구축을 통한 인력 양성을 하고, 뇌과학 융합기술관련 학제 간 교류 활성화를 위해 국내 학회의 설립을 추진하거나 관련 심포지엄 개최를 지원하는 것이 한 방안이 되겠습니다. 또한 교육 및 스포츠, 레저, 게임 등의 문화산업 그리고 국방산업 간의 뇌융합 분야와의 연계 강화를 통해 뇌정보기술 및 뇌관련 컨텐츠의 산업적 활용을 촉진하는 것도 뇌기반 융합기술시대를 준비하는데 매우 중요하다 생각됩니다.

르네상스 시대는 학문의 모든 영역, 육체 계발, 사회적 성취, 예술 부문 등에서 기량을 발전시키고자 노력하는 시기로 실제 융합기술의 태동기라 할 수 있습니다. 이 시기를 대표하는 첫 그리고 가장 이상적인 르네상스人으로는 레오나르도 다 빈치(1452~1519)를 들 수 있습니다. 다빈치는 자신의 탁월한 예술적 재능에 얼굴피부에 대한 해부학적 지식과 원근법이란 물리학적 원리 등 다양한 과학기술을 융합하여 인류 최고의 유산인 "모나리자"란 걸작을 탄생시켰습니다. 결국 다 빈치는 예술가일 뿐 아니라 시대를 앞서간 위대한 융합과학자라 할 수 있습니다. 21세기 후반기는 세계적으로는 뇌기반 융합기술의 시대로 예측되며 우리나라로는 과학기술 3세대가 활약을 시작하는 시기입니다. 많은 국내외 석학들은 어느 나라이든 과학기술 3세대에 그 나라의 과학기술이 비로소 열매를 맺는 시기이며, 국가적으로는 이 시기에 노벨상 수상자를 배출하는 경우가 많다고 합니다. 이에 우리나라 첫 노벨상 수상자는 뇌융합분야의 “한국인 다 빈치”가 되지 않을까 기대해보며 결언합니다.

[신유열]

1. invasive: O

2. noninvasive: X
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마컨 테크놀로지범죄 피해자들은 1번

invasive(침습적) 마컨 테크놀로지 범죄피해자(희생양)^^