한 과학 전문 유튜브 채널(The Thought Emporium)이 실제로 뉴런 배양에 도전해 눈길을 끈다.
인간 두뇌는 우주에서 가장 위대한 컴퓨터 중 하나다. 보통 인간 뇌는 뉴런 860억 개와 신경교세포와 기타 세포 900억 개로 이뤄져 있으며 이를 와이어 수조 개가 연결되어 있다고 한다. 이 때문에 뇌는 인류가 알 수 있는 가운데 가장 뛰어난 학습 머신 중 하나로 여겨지고 있다.
인간은 놀라운 두뇌를 갖고 있지만 소수 뉴런만으로도 복잡한 행동을 배울 수 있다. 예를 들어 뉴런 수백 개가 있으면 곰팡이와 같은 미생물을 제어할 수 있으며 뉴런 수만 개가 있으면 곤충 제어를, 뉴런 수십억 개가 있으면 수학과 예술을 할 수 있다고 한다.
이런 뉴런을 컴퓨터에 연결하고 성장시킬 수 있다면 어떨까. 이렇게 되면 인류는 사물을 통제하기 위한 도구로 뉴런을 이용할 수 있게 된다. 덧붙여 살아있는 뉴런은 적어도 이론적으론 AI가 사용하는 시뮬레이션상 뉴런보다 훨씬 학습 능력이 높다고 한다. 이 때문에 살아있는 뉴런을 활용하기 위한 연구로 신경다전극 어레이라는 걸 개발하고 있는 것.
이는 많은 미세 전극을 갖고 그 위에 살아있는 뇌세포 수만 개를 성장시킬 수 있다는 것이다. 신경다중전극어레이 전극은 단순한 장식이 아니라 컴퓨터에 연결하도록 설계됐다. 이어 신경다중전극어레이를 컴퓨터에 연결하고 뉴런이 둠을 플레이하도록 했다.
불가능한 것처럼 들릴지도 모르지만 실제로는 가능하다는 주장이다. 예를 들어 플로리다대학 연구팀은 쥐 뉴런을 이용해 시뮬레이션에서 비행기를 조종하는데 성공하기도 했다. 그 밖에도 살아있는 뉴런을 이용해 작은 로봇을 제어하려는 시도가 영국 레딩대학 주도 프로젝트에서 실현되고 있다.
이런 선행 연구를 근거로 중요한 건 뉴런은 작은 예측 머신이며 주는 자극을 올바르게 설계하는 것으로 이론상 어떤 것이라도 제어 가능하게 되도록 학습시킬 수 있다는 것이라고 주장하고 있다. 또 뉴런을 이용해 둠을 플레이하는 이유에 대해선 유튜브 채널 측은 둠이 충분히 복잡한 작업이기 때문으로 설명하고 있다.
둠은 게임 화면이 3D인 것처럼 렌더링되지만 플레이어가 조작하는 캐릭터는 화살표, 적은 원, 장애물은 2D 맵상 형상으로 표현할 수 있다. 또 둠에선 총을 화면 중앙에 쏠 수밖에 없으며 캐릭터는 전후 좌우로 회전하거나 총을 발사하거나 무기를 바꾸거나 버튼이나 오브젝트와 상호 작용할 수 있다.
이런 둠을 뉴런을 이용해 플레이하면 뉴런은 캐릭터 근처에 적이 있는지 여부를 인식하거나 캐릭터 주변에 대화할 수 있는 게 있는지 확인하거나 근처에 벽이 없는지 등을 알아내야 한다.
여기에서 알아야 할 사건 중 하나는 뉴런은 특정 전기 노이즈를 좋아하거나 싫어한다는 것이다. 구체적으로 뉴런은 단순한 전기 노이즈와 반복되는 전기 노이즈와 같은 간단하게 예측할 수 있는 반복 전기 노이즈를 선호한다는 것.
이를 적용해 뉴런이 둠 속 적을 인식하게 할 수 있다. 다른 방향으로부터 전기 노이즈를 발하는 것으로 적과 플레이어 위치를 파악하는 게 꽤 간단하게 가능하게 된다고 한다. 덧붙여 이는 현실 속 미사일 구조와 닮은 것이라고 한다. 그 밖에 복수 적이 있는 경우는 가장 가까운 적을 우선해 공격한다는 상태에 프로그래밍하는 것으로 복수 적을 대처하는 것도 가능해진다.
이처럼 전기 노이즈를 이용해 많은 정보를 얻을 수 있다. 하지만 둠을 플레이하는 복잡한 액션을 수행하려면 많은 튜닝이 필요하며 뉴런 반응을 배우는데 상당한 시간이 걸린다. 하지만 이 생각을 바탕으로 하면 뉴런이 게임을 플레이하게 할 수 있다는 주장이다. 적을 죽일 때마다 뉴런이 선호하는 전기 노이즈를 발생하거나 위험한 장소에 들어가거나 체력이 감소될 때 뉴런이 싫어하는 전기 노이즈를 발생시켜 뉴런 훈련을 가속화해 진행할 것이라는 기대를 밝히고 있다.
하지만 이를 실현하기 위해선 먼저 신경다전극어레이를 만들어야 한다. 또 신경다전극어레이에서 작동하는 살아있는 뉴런을 배양하고 뉴런으로부터 수집된 신호를 해석하고 어레이로 전송하기 위한 브리지 역할을 하는 소프트웨어를 개발할 필요가 있다. 이를 위해 일단 살아있는 뉴런 배양에 도전하고 있다. 뉴런 배양에 대해 채널 측은 수많은 논문을 읽어왔지만 뉴런을 성장시키는 최선의 방법은 아직 아무도 모른다는 것이라고 밝히고 있다. 다시 말해 실제로 뉴런을 배양해 지견을 얻을 수밖에 방법은 없다는 것이다.
배양하는 뉴런은 구입할 수 있다. 판매 중인 뉴런은 드라이아이스로 얼린 상태로 전달된다고 한다. 줄기세포에서 유래한 인간 뉴런도 있지만 쥐 뉴런을 사용하는 게 비용 면에서 뛰어나다고 한다.
하지만 뉴런을 배양접시 등을 한 번 올리면 이후는 괴롭히지 못하게 된다. 뉴런이 너무 많거나 너무 적어도 문제가 되기 때문에 12개 플레이트에 뉴런을 배양하고 세포량을 기준으로 밀도를 계산하기도 결정했다고 한다. 그리고 배양한 뉴런을 싣기 위한 어레이로 투명한 PET 필름을 채용했다.
당초 PET 필름을 유리에 붙이면 투명한 전극이 완성된다고 생각하고 있었지만 PET 필름을 이용한 전극은 보통 인쇄 기판과 같이 기능하지 않았다고 한다. 따라서 PET 필름 2장으로 금속을 끼우는 어레이를 작성하고 있다. 하지만 전극이 너무 작으면 PET 필름을 잘 접착할 수 없게 되고 전극이 너무 크면 뉴런으로부터 전기 노이즈가 평균화되어 버리기 때문에 아무 것도 검출할 수 없게 된다는 문제가 있었다고 한다. 이 때문에 최종적으로 수지로 코팅한 전극을 이용하게 됐다고 한다.
이 어레이 위에 놓인 원통형 부분에서 뉴런을 배양한다. 뉴런을 배양하려면 적절한 배양액을 준비해야 한다. 뉴런 배양액에 B27 서플리먼트를 사용했다고 한다. 여기에 뉴런을 무균으로 유지하기 위한 혼합물(Pen-Strep)을 추가한다. 어레이에 뉴런을 넣기 전에 먼저 액 누출된 어레이가 없는지 체크한다. 액이 누출된 게 있으면 물로 씻고 99% 고농도 에탄올로 멸균 처리한다.
이어 알코올과 3% 과산화수소를 혼합한 걸 투입하고 몇 분 침지 이후 액체를 배출하고 멸균수로 여러 번 씻어낸다. 그런 다음 플레이트 바당에 유리 커버 슬리브를 넣는다. 이 커버 슬리브는 얇은 원반 형태로 깨지기 쉽기 때문에 신중하게 취급해야 한다.
뉴런 배양을 할 때 플레이트로부터 이 커버 슬리브를 꺼내는 것으로 배양 중인 뉴런을 현미경으로 관찰하는 게 가능해지는 것이다. 뉴런을 추가하기 전에 마지막으로 해야 하는 건 폴리리신이라는 폴리머로 플레이트 전체를 코팅하는 것이다. 이 작업은 간단하고 플레이트와 어레이에 미리 만들어둔 용액을 1ml씩 추가하는 것만으로 가능하다는 것. 또 폴리리신을 첨가한 뒤 적어도 1시간 놔뒀다가 멸균수로 몇 차례 씻어낸다.
준비가 완료되면 어레이에 1ml, 플레이트에는 각각 2ml씩 배양액을 투입한다. 이어 CO2 인큐베이터에 넣는다. 플레이트나 어레이를 인큐베이터에 넣은 채로 두면 배양액이 따뜻해져 균일화되고 뉴런을 배양하는데 최적의 상태가 된다고 한다. 이 시간 중 뉴런은 빠르게 해동된다. 그리고 스프레이로 배양접시에 뉴런을 뿌린다.
뉴런이 들어간 액체 1ml당 뉴런 100만 개가 들어 있다고 한다. 뉴런은 시간이 지날수록 크게 성장해 수백, 수천이라는 수상돌기 무리와 같은 걸 형성해나간다. 2∼3일 배양으로 고밀도인 뉴런 네트워크가 형성되어 있는 걸 알 수 있다. 덧붙여 뉴런 모습을 관찰하려면 칼세인(Calcein AM)이라는 염료를 이용하면 된다고 한다. 채널 측은 뉴런을 성장시키는데 성공했다고 밝히고 있다. 다양한 뉴런을 분사하고 배양한 결과를 분석하면 배양 방법의 경우 cm2당 1만 5,000개 정도 뉴런을 배양하는 게 적절하다고 한다. 물론 실제 뉴런을 배양한 결과 뉴런이 올바르게 성장하지만 뉴런을 염색하면 어레이가 망가지거나 뉴런을 관찰할 수 있는 범위가 상당히 제한되어 있다는 등 문제도 밝혀졌다고 한다. 채널 측은 그럼에도 불구하고 뉴런 배양 결과에 만족하고 있다며 앞으로 뉴런에 둠을 플레이시키기 위해 추가 연구를 진행해나갈 것이라고 한다.