Marine Biological Laboratory, AI와 가상현실로 인간 기억 탐구
Source: NVIDIA AI Blog
해양생물학 연구소의 기억 연구
플라톤은 모든 경험이 장기 기억에 의해 뇌의 변화를 촉발한다는 것을 관찰했습니다. 오늘날 신경과학자들은 이 변형이 정확히 어떻게 일어나는지 탐구하고 있습니다.
연구원
| 이름 | 직함 | 기관 | 연구 분야 |
|---|---|---|---|
| Andre Fenton | 신경 과학 교수 | New York University | 마음이 어떻게 작동하는지와 기억이 미래를 어떻게 예측하는지 |
| Abhishek Kumar | 세포 및 재생 생물학 조교수 | University of Wisconsin–Madison | 기억 형성의 세포 메커니즘 |
“내 평생 연구는 마음이 어떻게 작동하는지를 이해하고, 특히 기억을 이해하는 것입니다 — 뇌 안에 과거의 흔적으로서가 아니라 뇌가 제공받는 미래에 대한 추정치로서.” — Andre Fenton
기술적 접근
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하드웨어
- NVIDIA RTX GPUs – 방대한 데이터 세트를 처리할 수 있는 강력한 그래픽 프로세서.
- HP Z Workstations – GPU를 지원하는 고성능 워크스테이션.
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소프트웨어 및 도구
- Custom AI pipelines – 신경 영상 데이터를 처리하고 분석하도록 설계된 파이프라인.
- syGlass – 3‑D 데이터 세트를 몰입형으로 탐색할 수 있는 가상현실(VR) 플랫폼.
자금 지원
- 국립 정신건강 연구소(NIMH) 보조금
- Chan Zuckerberg Initiative 보조금
참고 문헌
- NVIDIA RTX GPUs:
- HP Z Workstations:
- syGlass VR platform:
신경 숲의 발견
기억은 뇌의 해마가 담당합니다. 해마는 해마와 비슷한 C자형 구조로, MBL 연구팀의 주요 연구 대상입니다.
Fenton은 해마 내부의 세포들을 숲에 비유하며, 수십억 개의 뉴런이 작은 나무줄기처럼 보이고, 줄기에서 뻗어 나오는 선들은 잎사귀처럼 보인다고 설명합니다.
Images were acquired by Matthew Parent and Daryl Watkins.
팀은 이 “잎사귀” 중 작은 부분—단백질 마커를 나타내는—을 연구하고 있습니다. 이는 각 마커가 약 1마이크로미터 길이여서 매우 지루한 작업입니다. 연구자는 해마 내 모든 단백질 마커 중 약 **1 %**에 해당하는 올바른 단백질 마커를 찾기 위해 뇌 세포 숲을 뒤져야 합니다.
연구자들은 이러한 단백질을 연구하는 과정을 간소화하고, 그들의 다양한 구조가 기억 부호화에 대해 무엇을 밝혀낼 수 있는지 알아내고자 했습니다.
단백질 마커에 대한 충분한 3D 부피 데이터를 수집하고 분석하는 것이 프로젝트의 병목 현상이었지만, NVIDIA와 HP 기술이 워크플로에 도입되면서 상황이 바뀌었습니다.
“이것은 거대한 계산 과제이며, HP와 NVIDIA 기술 덕분에 첫 번째 단계인 3D 이미지 데이터를 캡처하고, 확인하고, 저장할 수 있게 되었습니다.” — Fenton.
이 기술들을 활용해 MBL 연구팀은 10 TB 규모의 부피 데이터를 캡처한 뒤, 인간이 직접 시각 품질 검사를 수행했습니다.
기억을 이해하면 신경질환을 예방할 수 있다
팀의 궁극적인 목표인 기억의 분자 수준 기능을 밝히는 일은 알츠하이머와 치매와 같이 신경인지와 연관된 뇌 질환의 근본 원인 연구를 촉진할 수 있습니다.
“사람들은 보통 기억을 정신 건강의 일부로 생각하지 않지만, 거의 모든 정신 기능 장애는 뇌가 저장하는 내용—신념, 기대, 불안, 그리고 기대하는 것들—에 달려 있습니다,” 라고 Fenton이 말했습니다. “이것들은 모두 기억이 있을 때 일어나는 다양한 측면이며, 따라서 거의 모든 신경정신 질환과 그 조작은 이 이해에 의존합니다.”
이러한 대규모 문제를 해결하기 위한 한 단계로, 연구진은 단백질이 해마 내 잘못된 위치로 이동할 때 기억이 어떻게 영향을 받는지 조사하고 있습니다.
팀은 또한 syGlass를 사용해 HP Z 고성능 워크스테이션과 다수의 NVIDIA RTX GPU로 구동되는 시스템에 저장된 고해상도 3D 이미지를 통해 뇌 세포의 구조와 기능 사이의 상관관계를 연구하고 있습니다.
“무언가가 어떻게 구성되어 있는지를 이해한다면, 문제가 생겼을 때 그 문제를 해부하고 근본 원인을 파악할 수 있습니다,” 라고 Kumar가 말했습니다. “우리가 하려는 바로 그 일입니다: 기억을 어떻게 유지하는지 이해하고, 문제가 발생하면 어떻게 해결할 수 있는지 아는 것이죠.”
가상 현실 및 학생 탐구 활성화
HP Z6 데스크톱 워크스테이션에서 NVIDIA RTX GPU로 구동되는 syGlass의 사용은 연구자들의 작업을 시간 소모적인 작업에서 인터랙티브한 과학 탐구로 전환시켰으며, 이는 고등학생들의 참여에 이상적이었습니다.
“HP‑NVIDIA‑syGlass 시스템 덕분에 우리는 세 명의 고등학생 인턴을 참여시켜 혁신을 이끌 수 있었습니다.”라고 Kumar가 말했습니다. “그들은 우리 과학에 추상적인 관심을 가지고 있었고, syGlass 가상 경험이 그들을 매료시킬 수 있을 것이라고 판단했습니다. 우리는 옳았습니다.”
연구자들은 이번 여름에 이 세 명의 호기심 많은 학생들을 연구실에 초대해 VR 헤드셋을 이용해 기억 단백질을 분석하도록 했으며, 이를 통해 데이터의 3‑D 시각화를 제공했습니다.
학생들의 과제는 기억과 관련된 특정 단백질을 찾아서 적절히 라벨링하는 것이었습니다. 간단해 보일 수 있지만, 인턴들은 수십억 개의 뉴런 중에서 연구와 관련된 몇 천 개의 단백질 마커만을 찾아야 했습니다.
파일럿 프로그램의 성공 덕분에 팀은 이제 프로젝트를 위한 고등학생 연구 기회를 확대하려 하고 있습니다.
“왜 세 명에 머물러야 할까요?”라고 Fenton이 말했습니다. “내년에는 여러 장소에서 열 명이 될 수도 있고, 우리가 뇌에 대해 배우는 동시에 그들도 뇌에 대해 배울 수 있습니다.”