[과학·첨단기술] 프린스턴대 연구진, 살아있는 뇌세포 이용한 ‘바이오 AI’ 소자 개발

3D 전자 메쉬 층을 따라 자라는 생물학적 뉴런. 연구자들은 이 장치가 패턴을 인식하도록 프로그래밍했습니다. 출처: 연구진 제공/프린스턴 대학교

프린스턴 대학교 연구진이 실제 뇌세포와 첨단 전자 장치를 결합하여 패턴을 인식하고 프로그래밍할 수 있는 3D 바이오 컴퓨팅 소자를 구축했다. 이 소자는 뇌 기능을 연구하는 새로운 도구인 동시에, 현대 AI의 고질적인 문제인 전력 소모를 획기적으로 줄일 수 있는 저전력 컴퓨팅의 대안으로 주목받고 있다.

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1. 3D 전자 메시와 뇌세포의 결합

이번 연구는 기존의 2D 세포 배양이나 외부에서 자극을 주는 방식과 달리, 세포 네트워크 내부에서 직접 상호작용하도록 설계되었다.

• 혁신적 설계: 미세 금속 와이어와 전극으로 구성된 3D 메시 구조를 구축하고, 그 위에 유연한 에폭시 코팅을 입혔다. 이 코팅은 부드러운 뉴런이 그 주위에서 성장하기에 충분히 유연하다.
• 살아있는 네트워크: 이 메시 구조는 수만 개의 뉴런이 자라나 대규모 3D 네트워크를 형성하는 비계(Scaffold) 역할을 하며, 이를 통해 컴퓨팅이 가능해진다. 해당 칩에는 약 7만 개의 생물학적 뉴런이 네트워크를 형성하고 있다.

2. 패턴 인식 및 학습 능력 입증

연구진은 통합된 설계를 통해 이전 시스템보다 훨씬 세밀하게 뉴런의 전기적 활동을 기록하고 자극할 수 있었다.

• 장기 모니터링: 6개월 이상 네트워크의 변화를 모니터링하며 뉴런 간의 연결을 강화하거나 약화하는 테스트를 진행했다.
• 패턴 식별: 연구팀은 전기 펄스에서 패턴을 식별하도록 알고리즘을 훈련시켰다. 실험 결과, 시스템은 서로 다른 공간적·시간적 패턴 쌍을 정확하게 구분해 내는 데 성공했다.

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3. AI의 에너지 한계 돌파 및 의학적 잠재력

이번 연구는 뇌과학의 기초 질문에서 시작되었으나, 현대 AI가 직면한 에너지 소비 문제를 해결할 실마리를 제공한다.

• 극도로 낮은 전력 소모: 푸톈밍(Tian-Ming Fu) 조교수는 "우리 뇌는 오늘날의 AI 시스템이 유사한 작업을 수행하는 데 사용하는 전력의 약 100만 분의 1만을 소비한다"고 강조했다.
• 질병 치료의 단서: 연구의 제1저자인 쿠마르 므리툰자이(Kumar Mritunjay)는 이러한 3D 생물학적 신경망이 뇌의 컴퓨팅 비밀을 밝히는 것뿐만 아니라 신경 질환의 이해와 치료를 돕는 데 기여할 수 있다고 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적인 학술지 '네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 게재되었다.

프린스턴대, 실제 뇌세포 탑재한 ‘바이오 칩’ 개발… AI 에너지 난제 해결사 될까

미국 프린스턴 대학교 연구진이 실제 살아있는 뇌세포와 정밀 전자 회로를 결합해 스스로 학습하고 패턴을 인식할 수 있는 3D 바이오 컴퓨팅 소자를 개발했다. 13일(현지 시간) 발표된 이번 연구는 평면적인 세포 배양 방식에서 벗어나, 미세한 금속망 안에서 수만 개의 뉴런이 입체적으로 자라나게 함으로써 실제 인간의 뇌와 유사한 정보 처리 구조를 재현했다.

이 ‘살아있는 AI’ 소자는 기존 디지털 컴퓨터 기반 AI보다 전력 효율이 수백만 배 뛰어난 인간 뇌의 작동 원리를 모사한다. 연구팀은 6개월간의 실험을 통해 이 시스템이 전기적 신호의 미세한 변화를 감지하고 공간적·시간적 패턴을 완벽히 구분해 내는 것을 확인했다. 이는 현대 AI 산업의 최대 병목 구간인 막대한 전력 소모 문제를 해결할 혁신적인 대안으로 평가받는다. 또한, 연구진은 이 기술이 뇌의 복잡한 계산 메커니즘을 규명하는 것은 물론, 파킨슨병이나 치매 등 각종 신경계 질환의 새로운 치료법을 연구하는 데 핵심적인 역할을 할 것으로 기대하고 있다.

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