인공지능을 위한 뇌과학 (feat. Connectome and BCI)

1. 인공지능을 위한 뇌 과학
(feat. Connectome and BCI)
2017. 6.
강병호수석

2. I. 인간의 뇌
II. Connectome
III. Brain Computer Interface
Contents

3. 1. 인간의 뇌
2. 뇌의 구조
3. 뇌의 동작
4. 뇌의 기능
I. 인간의 뇌

4. 1. 인간의 뇌
인간의 뇌에 대한 핵심적인 사실
[From] http://www.iflscience.com/brain/man-missing-most-of-his-brain-challenges-everything-we-thought-we-knew-about-consciousness/
[From] http://www.nova.org.au/people-medicine/brain
 The human brain is the most complex organ in the human body.
 The brain constitutes 2 per cent of a person’s body weight but
consumes 20 per cent of the body’s energy.
 A healthy adult brain contains approximately 86 billion neurons.
 It is a myth that we use only 10 per cent of our brains—every part
of the brain has a known function.
 Human brains are wrinklier than the brains of any other animal—
a key factor in our higher intelligence levels.

5.  대뇌 피질 안쪽에 고리처럼 감겨 있는 구조
 시상(Thalamus), 기저핵(Basal ganglia), 해마(Hippocampus)
등으로 구성
인간의 뇌는 크게 뇌줄기(Brain Stem), 변연계(Limbic System), 소뇌(Cerebellum), 대뇌(Cerebrum)로 구분되어 진다.
뇌줄기 (Brain Stem)
 좌우 대뇌 반구와 소뇌를 제외한 부분으로 뇌의 가운데에 위치
 뇌와 척수를 이어주는 줄기
소뇌 (Cerebellum)
 운동기능의 조율에 사용
 대뇌 뒤쪽 아랫부분에 위치하며, 전체 뇌의 10%를 차지
대뇌 (Cerebrum)
 감각과 사고의 중추로 전체 뇌의 80%를 차지
 좌우 2개의 반구로 구성되어 있고, 각 반구들은 뇌량(corpus
callosum)로 연결
[From] https://www.kenhub.com/en/atlas/genu-corporis-callosi
뇌량/뇌들보
(corpus callosum)
[From]
http://app.imcreator.com/static/FAAC356ED213474C9BBECA6
FF5F06384/the-brain
변연계 (Limbic System)
2. 뇌의 구조

6. 대뇌의 가장 표면에 위치한 대뇌 피질(Cerebral Cortex)은 4개의 옆(lobes)로 구성되어 있다.
[From] https://qbi.uq.edu.au/brain/brain-anatomy/lobes-brain
[From] http://www.nova.org.au/people-medicine/brain
전두엽 (Frontal lobe)
 reasoning, planning, parts of speech,
movement, emotions, problem solving
두정엽 (Parietal lobe)
 movement, orientation, recognition,
perception of stimuli
측두엽 (Temporal lobe)
 perception and recognition of auditory
stimuli, memory, speech and ‘theory of
mind’ (understanding the minds of others).
후두엽 (Occipital lobe)
 visual processing
2. 뇌의 구조

7. 변연계(Limbic System)는 후뇌, 내장뇌라고도 하며 감정, 행동, 동기부여, 기억, 후각 등의 여러 가지 기능을 담당한다.
[From] http://www.nutramed.com/emotions/LimbicSystem.htm
해마 (Hippocampus)
 학습과 기억에 관여
 감정행동 및 일부 운동을 조절
편도체 (Amygdala)
 정서와 관련
 신체 감각 기관을 통해 수용되는 정보를 받아 감정적인 경험을 구성
시상 (Thalamus)
 대부분의 주요 감각계 신호가 거쳐가는 구조물
 대뇌 피질의 활동과 밀접한 관련
후각망울 (Olfactory bulb)
 대뇌 피질과 연결되어 후각기능에 관여
2. 뇌의 구조

8. Neuron은 뇌와 신경계를 구성하는 기본단위(세포)로, 자극을 받았을 경우 Synapse를 이용하여 다른 세포에 정보를 전달한다.
[From] http://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-6-human-physiology/65-neurons-and-synapses/neurons.html
수상돌기 (Dendrites)
 다른 세포에서 신호를 받는 부분
세포체 (Cell Body)
 핵이 있는 세포 부분
축삭돌기 (Axon)
 다른 세포에 신호를 주는 부분
3. 뇌의 동작

9. 정보는 한 Neuron의 Axon 말단과 다음 Neuron의 Dendrites 사이의 연접 부위인 Synapse를 통해 전달된다.
[From] http://thatsbasicscience.blogspot.kr/2011/08/one-sound-one-synapse-live-imaging-of.html
3. 뇌의 동작
 Synapse의 흥분전달은 Axon에서 Dendrites 방향으로만 전해지고 역방향
으로는 전달되지 않는다.
 자극이 Synapse를 통과하는 데 특별한 시간을 필요로 한다.
 약물에 민감하다, 예를 들어 마취제에 의해 전달이 저해된다.

10. 기억은 단기기억과 장기기억으로 분류될 수 있고, 대뇌피질에 저장되고 해마는 기억형성에 관여한다.
[From] http://open.lib.umn.edu/intropsyc/chapter/8-1-memories-as-types-and-stages/
4. 뇌의 기능
감각 기억 감각 정보가 인지 체계에 처음 등록되는 곳. 정보를 매우 짧은 시간 동안 저장하는 기억
단기 기억 Rehearsal하지 않으면 급속하게 감쇠하여 약 18초 쯤 경과하면 거의 소멸. 기억 용량의 한계 존재
장기 기억 용량 제한이 없으며 정보가 몇 분에서부터 평생 동안 보존되는 기억

11. 대뇌 피질의 Broca영역과 Wernicke영역은 언어 처리를 위한 가장 중요한 역할을 한다.
[From] https://wolfe4e.sinauer.com/essay11.01.html
4. 뇌의 기능
Broca’s Area (브로카 영역)
 대뇌 좌반구 전두엽에 위치
 말을 만들어 내는 과정을 담당
Wernicke’s Area (베르니케 영역)
 대뇌 좌반구 후두엽, 측두엽 근처에 위치
 말을 이해하는 과정을 담당

12. 후두엽에 있는 시각피질(Visual Cortex)을 통해 처리된 시각 정보는 두정엽과 측두엽으로 나뉘어 전달된다.
[From] http://healthinyou.com/what-is-visual-cortex/
4. 뇌의 기능
Visual Cortex
 빛은 동공을 통해 망막으로 들어오고 망막에서 빛의 자극이
전기신호로 바뀐다.
 시신경은 시교차, 외측슬상핵 등을 거처 일차시각피질에 도
착한다.
시각 정보의 전달
 두정엽으로 전달되면서 물체의 위치, 빠르기, 거리 등에
관한 정보를 처리한다.
 측두엽으로 전달되면서 물체의 색, 형태를 처리하며, 시
각에 대한 기억의 장기 저장에 관여한다.

13. 1. Connectome
2. 연구 사례
3. 인간의 뇌 지도
II. Connectome

14. 1. Connectome
Connectome은 뇌 속에 있는 신경 세포들의 연결을 종합적으로 표현한 뇌 지도이다.
[From] https://theconnectome.wordpress.com/
 국한된 신경계 내에서 Neuron과 Synapse간의 미시적 상호작용 연구와
 모든 대뇌 피질과 피질 하부간의 기능적, 구조적 구조를 기술하는 거시적 상호작용 연구를 포함
 좀 더 넓은 의미로 Connectome은 뇌 안에 있는 신경세포 뿐만 아니라 우리 몸에 넓게 분포되어 있는 신경세포들
간의 연결 망을 연구한다.

15. 1. Connectome
Connectome을 연구하는 학문을 Connectomics라고 한다.
[From] https://www.tripodilab.com/new-tools-for-connectomics
 Connectomics는 Connectome 데이터 셋을 모으고 분석하는
Science.
 C. elegans(예쁜꼬마선충)의 Connectome을 해독
(20년 소요)
 쥐 망막의 Connectome 일부와 시각 피질 일부 해독
 Human Connectome Project 진행 중

16. 2. 연구 사례
현재 Connectome이 완성된 종은 C. elegans(예쁜꼬마선충) 뿐이다.
[From] http://www.cherrybiotech.com/portfolio/c-elegans-and-
the-need-of-controlling-temperature
 302개의 신경세포와 7000개 이상의 연결 망
 미각, 후각, 빛 감지에 국한된 감각
 1970년대부터 Connectome을 만들기 시작
 Connectome을 완성하는데 20년 이상 소요
[From] http://connectomethebook.com/?portfolio=the-c-elegans-connectome

17. 2. 연구 사례
Brainbow는 형광성단백질(fluorescent protein)을 이용하여 Neuron을 이웃 Neuron과 구분하는 과정이다.
 Harvard 대학 연구원들이 형광 단백질(fluorescent protein)을 주입하여 100가지 색을 발광하는 쥐의 뇌 뉴런을 작성
 Green Fluorescent Protein (GFP)는 해파리에 있는 단백질로 외부에서 빛이 들어오면 그 빛을 받아서 다른 색깔의 빛
을 내는 단백질이다. GFP는 파란 빛을 받아서 녹색 빛을 낸다.
 GFP를 변형하여 다양한 색을 표시하게 한 후 Neuron에 삽입하여 뉴런 별로 특유의 색을 표시하게 함.
[From] https://en.wikipedia.org/wiki/Brainbow 쥐의 Brainbow (2008)

18. 2. 연구 사례
Eyewire는 프린스턴 대학의 (Seung Lab)에서 개발한 집단 지성을 이용한 3D 두뇌 맵핑 게임이다.
 Sebastian Seung (승현준) 교수가 이끄는 Seung Lab.에서 EyeWire라는 신경세포를 3차원 이미지로 규명하는 과정
을 게임으로 만듦.
 현재 전 세계 100여 개 국가 14만명 이상이 참여해 뇌 망막 신경을 Connectome을 그리고 있음.
[From] https://eyewire.org/explore

19. 3. 인간의 뇌 지도
Human Connectome Project (HCP)는 인간의 Connectome을 만들기 위한 공동 연구 프로젝트이다.
 미국 NIH(국립 보건원) 주도로 세계적인 뇌 과학자들이 2005년에 시작한 공동 연구 프로젝트
 대뇌피질을 180개 영역으로 자세히 구분 (https://youtu.be/UHDfvfYCY0U)
 젊은 성인 210명을 대상으로 MRI장비를 이용하여 연구
[From] http://www.humanconnectomeproject.org/

20. 3. 인간의 뇌 지도
인간 뇌의 Connectome 완성은 21세기가 끝나기 전에 완성될 것.
 인간 뇌에는 신경세포가 1000억 개, 연결 망(Synapse)이 100조개가
넘을 것으로 추정
 어떤 기억과 사고를 했는지에 따라 Connectome은 계속 바뀐다.
 인간의 Connectome이 완성되면 기억의 비밀을 밝혀내거나, 뇌 질환
의 근본 원인을 파악하고, 새로운 치료법을 발견할 수 있을 것.

21. 1. BCI
2. BCI Applications
3. 기업별 사례
4. BCI의 미래
III. Brain Computer Interface

22. 1. Brain Computer Interface (BCI)
BCI는 뇌와 컴퓨터를 연결해서 통신을 가능하게 하는 수단이다.
[From] http://www.tech-faq.com/brain-computer-interface.html
 신경세포들이 서로 작용을 할 때 마다 미세한 전류가 발생
하는데 이를 뇌파(Brainwave)라고 한다.
 1973년 미국 UCLA의 자퀴스 비달 교수가 뇌파를 이용해 뇌
를 읽는 방법을 고안.
 신체가 불편한 장애인들을 위해 개발되기 시작
 현재는 의료분야 외 게임, 영화 등 다양한 산업으로 BCI기술
을 응용

23. 1. Brain Computer Interface (BCI)
BCI기술의 종류는 3가지로 구분된다.
Invasive BCI
• 대뇌 피질에 직접 BCI 장치를 Implant한 후 이를 통해 직접 신호를
전송
• 민감도는 좋지만, 뇌에서 부작용이 생길 위험이 있다.
• 시간이 지나면서 흉터 부위가 자연 치유되거나 상처를 입으면서 신
호가 약해질 수 있다.
Partially
Invasive BCI
• 두개골과 대뇌피질 사이에 BCI장치를 삽입.
• 뇌파를 기록하여 해석하지만 Non Invasive BCI보다 효율을 높이기
위해 두개골 내부에 얇은 플라스틱 판을 심어 직접 대뇌피질의 전
극에 접촉하여 뇌파를 측정
Non
Invasive BCI
• 수술 없이 뇌파를 읽어내는 단자를 두피에 붙여 뇌파를 읽는 방식
• 이미 의료 등을 목적으로 사용되는 기술
• 현재는 이를 이용하여 VR에 응용하기 위한 장치들이 개발 중
[From] http://forum.prisonplanet.com/index.php?topic=149466.0
[From] http://hearing4all.eu/EN/Research/C/Task-Group-7.php
[From] https://www.medicwiz.com/medtech/diagnostics/9-types-of-eeg-tests-everything-about-brainwave-monitoring

24. 1. Brain Computer Interface (BCI)
EEG(Electroencephalogram) Device는 뇌파를 특정 기간 관찰하고 기록하는 장비이다.
[From] http://www.thegrowthstory.in/an-introduction-to-electroencephalogram/
 두피 상에서 유도되는 것은 수십 μV (microvolt)
정도이며 이를 증폭시켜 기록함.

25. 2. BCI Applications
Duke Health – 무선 BCI 장비를 원숭이 뇌에 삽입하여 휠체어를 조종
[From] http://gizmodo.com/this-robotic-wheelchair-is-being-controlled-by-a-monkey-1762391710

26. 2. BCI Applications
BrainGate – 전신마비 환자의 뇌에 칩을 이식해 간단한 게임을 하거나 전등을 켜고 끄는 일을 수행
[From] https://openi.nlm.nih.gov/detailedresult.php?img=PMC2972680_fneng-03-00112-g003&req=4
 2006년 미국 Cyberkinetics Neurotechnology systems라는
회사 주도로 개발
 사고로 목 아래가 마비된 청년의 뇌에 초소형 칩을 이식
 간단한 게임을 하거나 전등을 켜고 끄는 일을 할 수 있었음.
 칩이 1년 뒤 오작동을 일으켜 제거

27. 2. BCI Applications
IntendiX - EEG가 부착된 모자를 쓰고 BCI 기술을 활용한 Software와 Hardware 패키지.
[From] http://www.gtec.at/Products/Complete-Solutions/intendiX-Specs-Features
 오스트리아의 구거 테크놀로지스(Guger Technologies)에서 판매
 EEG가 부착된 모자를 쓰고 자판의 글자를 집중에서 바라보면 타이핑이 되거나 그림을 그릴 수 있다.
 현재 3종류의 제품이 존재 [From] http://www.intendix.com/

28. 2. BCI Applications
EMOTIV Epoc – EEG 장비를 이용하여 뇌파로 하는 게임하는 기술을 개발 판매 중
[From] https://www.youtube.com/watch?v=l-kwgxJ3bPk
[From] https://www.emotiv.com/epoc/

29. 2. BCI Applications
Brainflight – 뇌파를 명령어로 변환하여 소형 비행기를 조정
[From] http://www.loctier.com/flight-of-mind/
 유럽연합의 지원을 받아 독일 뮌헨공대 비행시스템역학연구소에서 진행
 조종사가 자신의 뇌파를 감지하는 모자(EEG)를 통해 조종 장치를 제어

30. 2. BCI Applications
삼성 Tablet Control – 뇌파를 감지해 Galaxy Note를 조작
[From] https://www.technologyreview.com/s/513861/samsung-demos-a-tablet-controlled-by-your-brain/
 삼성 Emerging Technology Lab과 미국 Dallas 대학 공동 연구
 뇌파를 감지해 Galaxy Note 10.1을 조작
 Email 보내기, 친구에게 전화 걸기, 음악 고르기, 애플리케이션
작동, 전원 켜고 끄기를 성공

31. 3. 기업별 사례
Neuralink – Elon Musk가 설립한 뇌 연구 Startup으로 Neural Lace 기술 개발을 목표로 함
[From] https://www.inverse.com/article/16559-elon-musk-ai-neural-lace
 Neural Lace는 BCI를 위한 전극을 뇌에 이식하는 기술이다.
 액체 상태의 전자 그물망을 뇌에 주입시키면 특정 뇌 부위에서 액체가 최대 30배의 그물로 펼쳐진다.

32. 3. 기업별 사례
Facebook Building 8 Project – 뇌파를 이용해 Typing
[From] http://indianexpress.com/article/technology/social/facebook-f8-conference-day-2-building-8-camera-ar-and-everything-else-4621046/
 60명의 과학자들이 뇌파만을 사용해 분당 100단어를 type할 수 있는 non-invasive 시스템을 연구하고 있다.

33. 4. BCI의 미래
뇌의 잠재의식을 Computer로 Uploading
[From] 영화 Transcendence, 2014
 천재 과학자 Will Caster가 본인의 의식을 Computer로 전송

34. 4. BCI의 미래
뇌파를 이용해 각종 장비를 제어
[From] 영화 Iron Man 3, 2013
 Avengers와 Iron Man 3에서 Tony Stark는 EEG 장비를 통한 Brain Computer Interface 기술로 Suits인
Hulkbuster를 조정한다.

35. The End
감사합니다.
강병호수석 (SK주식회사 통신개발2팀)
medit74@sk.com