아이와이어(EyeWire) 게임을 하면서 MIT의 신경과학 연구에 참여해 보세요.

아이와이어(EyeWire)는 MIT에 있는 승 연구소(Seung Lab)에서 개발한 두뇌 맵핑 게임입니다. 이 게임은 과학적 기초지식 없이도 누구나 즐길 수 있습니다. 현재 145개국에서 13만여 명이 즐기고 있는 이 게임은 뉴런(neuron), 즉 신경세포의 3D 구조를 맵핑(mapping)하는 과정에서 우리 자신에 대한 이해탐구의 폭을 향상시킵니다

우리는 지금 화성에도 가고, 인간장기도배양할 뿐 아니라 우주 유영도 할 수 있는 시대에 살고 있지만 우리들 각자의 눈 뒤쪽에 위치한 1.3~1.4kg에 불과한 인간 장기인 두뇌(brain)에 대해서는 대부분 아무것도 모릅니다. 신경과학자(neuroscientist)조차도 인간의 뇌속에 어떤 종류의 세포가 얼마나 많이 존재하는 지 모릅니다. 그것에 대해 생각해 봅시다. 우리는 망막(retina) 속에 얼마나 많은 종류의 세포가 있는지 알 수 없습니다. 이처럼, 얼마나 많은 종류의 세포가 있는지 알지 못하면서 세포가 어떻게 연결되고 정보를 처리해 생각하게 하고 감정을 느끼게 할 수 있는지 어떻게 이해할 수 있을까요? MIT에 있는 이곳, 세바스찬승(Sebastian Seung)의 컴퓨터 신경과학 실험실(Computational Neuroscience Lab)에서는 신경과학적 발견을 위한 다른 접근 방법인 크라우드 소싱(crowd-sourcing)을 시도하고 있습니다. 두뇌 활동의 거대한 미스터리를 풀기 위해서는 여러분의 도움이 필요합니다.

인간의 두뇌가 어떻게 작용하는지 알 수 없는 이유는 무엇일까요? 그 중 하나는 인간의 정신이 끝을 알 수 없이 방대하기 때문입니다. 인간의 뇌 속에는 백만 마일의 신경망 연결(connectivity)이 예상되는 천억 개의 뉴런이 존재하는 것으로 추산됩니다[1,2]. 백만 마일은 지구를 40바퀴 도는 거리에 해당합니다. 그처럼 어마어마한 길이의 뉴런을 1.3~1.4kg에 불과한 뇌에 꼭 들어맞게 하려면 그 구조가 아주 작지 않으면 안 된다는 것을 추론할 수 있습니다. 뉴런은 크기가 매우 다양하지만 시냅스(synapse)의 접촉면적은 7 cubic nm 이하입니다[3, 4: 자료출처 승 연구소(Seung Lab)].

연구자들은 뉴런과 그 작용에 관여하는 수상돌기(dendrite)라는 아주 작은 조직구조를 보기 위해서 새로운 영상기술을 활용합니다. 카네기멜론(Carnegie Mellon) 석사과정 학생인 데이비드추(David Zhou)는 쿼라(Quora)에서 “전 뇌조직을 준비하여 몇 미크론(micron) 두께의 층으로 저며낸 후 각 조각을 전자 현미경으로 영상화하여 각 뉴런의 경로를 추적하는 기술”이라고 설명합니다. 이 중대한 기술은 단 1 cubic millimeter(㎣)의 뇌 조직에서도 1 terabyte의 데이터를 생성합니다. 이제, 시냅스 규모의 뇌를 볼 수 있게 되었습니다. 여기에서 영상을 어떻게 분석해야 할까요?

 

위에 보이는 그림은 영상 데이터에서 뉴런 가지(branch)를 3D 맵핑하는 과정을 나타낸 것입니다. 대부분의 다른 신경과학 실험실과 마찬가지로 승 연구소(Seung Lab)도 인공지능 알고리즘(Artificial Intelligence algorithm)과 인체에서 수행된 추적기법(tracing)을 통한 3D 재구성(reconstruction)을 결합하여 사용합니다. 알고리즘만 사용하지 않는 이유는 무엇일까요? 인간의 경우에서도 뉴런을 추적하는 일은 쉽지 않기 때문입니다. 뉴런 가지는 바깥쪽으로 자라나면서 그냥 좁아지는 것이 아닙니다. 사실, 스타버스트챌린지(Starburst Challenge)( => Lightning Challenge로 변경)를 시도할 때 볼 수 있듯이 흔히, 폭이 좁은 수상돌기가 세포체(cell body)에서 멀리 떨어진 시냅스로 불거져 나오는 경우가 있습니다.

<아이와이어에서 시냅스 맵핑>

결국에는 컴퓨터가 스스로 뉴런을 맵핑할 수 있도록 훈련시킬 수도 있겠지만 그런 날은 아직 먼 장래의 일이고 지금은 신경과학적 발견을 가속해야 하는 단계입니다. 이를 달성하기 위해서는가장 강력한수퍼컴퓨터보다도 더 지능이 뛰어난 무언가가 필요합니다. 바로, 여러분입니다.

단일 뉴런을 재구성하려면 MIT에서 교육을 받은 신경과학자라도 15시간에서 최대 80시간까지 투자해야 합니다. 그런 식이라면, 커넥톰(connectome)이라는 인간 뇌 전체의 신경망 연결을 맵핑하기 위해서는 약 5억 7천만 년이라는 시간이 필요할 것입니다. 터무니없이 너무 많은 시간이 소요된다고 생각되시나요? 하지만, 불과 5년 전의 최고 기술을 사용한다면 하나의 뇌를 맵핑하는 데에도 10억 년 이상이 소요될 것입니다. 우리는 지금 월등히 빠른 속도로 전진하고 있지만 더 빨리 나아가기 위해서는 여러분의 도움이 필요합니다.

여러분은 아이와이어(EyeWire) 3D 게임을 즐기시면서 MIT에 있는 승 연구소(Seung Lab)의 일원이 되어 신경망 연결의 맵핑에 도움을 주실 수 있습니다.

맵핑 작업은 동작 처리(motion processing)에서 중대한 역할을 하는 뇌의 일부인 망막의 맵핑에서 시작됩니다. 우리의 목표는 몇몇 세포 유형의 연결을 맵핑하는 것입니다. 최근, 동작 탐지(motion detection)의 새로운 메커니즘을 입증하는 아이와이어의 첫 번째 출판물이 영국 과학주간지 <네이처(Nature)>에 게재되었습니다.

미국 과학잡지 <사이언티픽아메리칸(Scientific American)>은 “[아이와이어 게임을 즐기기 위해서는] 특별한 신경과학적 지식이 필요하지 않습니다. 시민과학자(citizen scientist)는 그저 호기심과 지능, 그리고 관찰력만 있으면 됩니다. 여러분이 게임 과정에서 제공하는 입력정보는 과학자들이 망막의 동작원리를 이해하는 데에 도움이 될 것입니다. 또한, 엔지니어들이 기초가 되는 컴퓨터 기술의 향상을 통해 궁극적으로 자폐증(autism)이나 정신분열증(schizophrenia)과 같은 정신장애의 근간을 이루는 것으로 가정되는 뇌의 “이상 연결(miswiring)”을 탐지할 수 있도록 해당 기술을 강화하는 데에 사용될 것입니다”라고 기술하고 있습니다.

아이와이어는 자체 플랫폼(platform)을 통해 시민과학자 일원이, 종전에는 학계에 한정되었던 연구의 돌파구를 찾는 데에 일조할 수 있도록 합니다.

– <포브스(Forbes)>

웹사이트 EyeWire.org를 방문하셔서 여러가지 상세한 정보를 살펴보시기 바랍니다