美 해양생물학연구소, AI와 VR로 인간 기억 메커니즘 탐구...엔비디아 RTX GPU 활용

해마 속 단백질 마커 3차원 분석으로 알츠하이머·치매 등 뇌질환 원인 규명 기대

[한국정보기술신문] 미국 매사추세츠주 우즈홀에 위치한 해양생물학연구소(MBL)가 엔비디아 RTX GPU와 가상현실 기술을 활용해 인간 기억의 분자적 메커니즘을 탐구하는 획기적인 연구를 진행 중이다. 이 연구는 알츠하이머와 치매 같은 신경학적 질환의 근본 원인 규명에 중요한 단서를 제공할 것으로 기대된다.

뉴욕대학교 신경과학과 안드레 펜턴 교수와 위스콘신대학교 매디슨캠퍼스 세포재생생물학과 아비셰크 쿠마르 조교수가 주도하는 이 연구팀은 엔비디아 RTX GPU와 HP Z 워크스테이션을 활용해 방대한 데이터를 시각화하고, 맞춤형 인공지능 도구와 syGlass라는 가상현실 플랫폼을 통합해 연구 수준을 한 단계 끌어올렸다. 이 프로젝트는 미국 국립정신건강연구소와 찬저커버그 이니셔티브의 지원을 받고 있다.

해마 속 신경세포 숲을 헤치다

기억은 뇌의 해마가 담당한다. 말 그대로 해마를 닮은 C자 형태의 이 구조가 MBL 연구팀의 주요 연구 대상이다. 펜턴 교수는 해마 내 세포들을 숲에 비유하며, 수십억 개의 뉴런이 작은 나무 줄기처럼 보이고 줄기에서 뻗어 나온 선들이 나뭇잎처럼 보인다고 설명했다.

연구팀은 이 나뭇잎에 해당하는 단백질 마커의 일부를 연구하고 있다. 각 마커의 길이는 약 1마이크로미터에 불과하며, 연구자들은 뇌세포 숲을 뒤져 올바른 단백질 마커를 찾아야 한다. 이는 매우 지루한 작업인데, 이 마커들이 해마의 전체 단백질 마커 중 약 1퍼센트에 불과하기 때문이다.

연구자들은 이 단백질과 그 다양한 구조가 기억 부호화에 대해 무엇을 드러낼 수 있는지 연구하는 과정을 간소화할 방법을 찾고 있었다. 단백질 마커에 대한 충분한 3차원 볼륨 데이터를 수집하고 분석하는 것이 프로젝트의 병목 구간이었으나, 엔비디아와 HP 기술이 작업 흐름에 도입되면서 상황이 달라졌다.

펜턴 교수는 이는 엄청난 계산 과제이며, HP와 엔비디아 기술 덕분에 첫 단계인 3차원 이미지 데이터의 캡처, 검토, 저장이 가능해졌다고 설명했다. MBL 연구자들은 이 기술을 사용해 10테라바이트의 볼륨 데이터를 캡처한 후 인간의 시각적 품질 검사를 수행했다.

기억 이해로 신경학적 질환 예방

분자 수준에서 기억의 기능을 발견하려는 팀의 궁극적인 목표는 알츠하이머와 치매 같은 신경인지와 관련된 뇌질환의 근본 원인에 대한 연구를 촉진할 수 있다. 펜턴 교수는 사람들은 일반적으로 기억을 정신 건강의 일부로 생각하지 않지만, 거의 모든 정신 기능 장애는 뇌가 저장하는 것, 즉 믿음, 예상, 불안, 기대에 달려 있다고 강조했다.

그는 이것들은 모두 기억이 있을 때 일어나는 일의 다양한 측면이므로, 거의 모든 신경정신과적 질환과 조작은 이러한 이해에 달려 있다고 덧붙였다. 이러한 대규모 문제를 해결하기 위한 단계로, 연구자들은 단백질이 해마의 잘못된 위치로 갈 때 기억이 어떻게 영향을 받는지 살펴보고 있다.

연구팀은 또한 여러 엔비디아 RTX GPU로 구동되고 지원되는 HP Z 고성능 워크스테이션에서 syGlass를 사용해 큐레이션하고 저장한 고해상도 3차원 이미지를 통해 뇌세포의 구조와 기능 사이의 상관관계를 조사하고 있다. 쿠마르 교수는 무언가가 어떻게 만들어지는지 이해할 수 있다면, 문제가 있을 때 그것을 해부하고 근본까지 파고들 수 있다며, 우리가 하려는 것은 기억을 어떻게 유지하는지 이해해서 문제가 발생하면 어떻게 고칠 수 있는지 아는 것이라고 설명했다.

가상현실로 고등학생들의 과학 탐구 이끌어

엔비디아 RTX GPU에서 실행되는 HP Z6 데스크톱 워크스테이션의 syGlass 사용은 연구자들의 노력을 시간 소모적인 작업에서 상호작용적인 과학 탐구로 전환시켰으며, 이는 고등학생 참여에 이상적이다. 쿠마르 교수는 HP-엔비디아-syGlass 시스템을 통해 세 명의 고등학생 인턴을 참여시킬 수 있었다고 밝혔다.

연구자들은 올여름 이 세 명의 호기심 많은 학생들을 실험실로 데려와 VR 헤드셋을 사용해 기억 단백질을 분석하도록 했다. VR 헤드셋은 데이터의 3차원 시각화를 가능하게 했다. 학생들의 임무는 기억과 관련된 특정 단백질을 찾아 표시하는 것이었다.

간단한 작업처럼 들릴 수 있지만, 인턴들은 수십억 개의 뉴런 바다를 뒤져 연구와 관련된 수천 개의 단백질 마커만을 찾아야 했다. 이 시범 프로그램의 성공으로 인해 팀은 이제 프로젝트에 대한 고등학생 연구 기회를 확대하려고 한다. 펜턴 교수는 왜 세 명의 학생에게만 국한되냐며, 내년에는 여러 지역에서 10명이 뇌에 대해 배우는 동안 우리가 뇌에 대해 배우는 것을 도울 수 있을 것이라고 전망했다.

이번 연구는 첨단 GPU 기술과 가상현실을 결합해 신경과학 연구의 새로운 지평을 열었다는 평가를 받고 있다. 특히 복잡한 3차원 데이터를 직관적으로 탐색할 수 있는 VR 기술의 도입은 전문 연구자뿐만 아니라 차세대 과학자 양성에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

한국정보기술신문 인공지능분과 이준 기자 news@kitpa.org