슈퍼컴퓨터가 역대 가장 사실적인 가상 뇌를 만들어냈다

세포 내 분해능을 갖춘 마우스 대뇌 피질 뉴런 하나하나에 대한 생물물리학적 상세 시뮬레이션입니다. 즉, 나무 모양의 뉴런 형태를 구성하는 여러 구획 내에서 이온 흐름과 막 전압의 변동을 포착합니다. 뉴런은 피질 영역별로 색상이 지정되어 있으며, 활성화되면 불빛이 번쩍입니다. 명확성을 위해 전체 뉴런의 1%만 표시했습니다. 이 시뮬레이션은 휴식 상태에서 대뇌 피질의 "자발적인" 활동을 나타냅니다. 출처: Barry Isralewitz, Kaaya Akira-Tamura, Kael Dai, Laura Green, Beatriz Herrera, Tadashi Yamazaki, Anton Arkhipov가 이 논문의 시뮬레이션을 사용하여 기여했습니다.

과학자들은 지구상에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 중 하나의 성능을 활용하여 지금까지 개발된 것 중 가장 포괄적이고 생물학적으로 사실적인 동물 뇌 시뮬레이션 중 하나를 개발했습니다. 쥐의 피질 전체를 디지털로 재구성한 이 시뮬레이션은 연구자들에게 알츠하이머병이나 간질과 같은 질환을 가상 환경 내에서 재현함으로써 뇌 기능을 탐구하는 새로운 방법을 제공합니다. 이를 통해 연구자들은 손상이 신경 회로를 통해 어떻게 이동하는지 추적하고 인지 및 의식과 관련된 과정을 탐구할 수 있습니다. 이 시뮬레이션은 약 천만 개의 뉴런, 260억 개의 시냅스, 그리고 86개의 연결된 뇌 영역을 포함하여 구조와 활동을 고해상도로 포착합니다.

이 중요한 성과는 초당 1,000조 회의 계산을 수행할 수 있는 일본 최고의 고성능 시스템인 슈퍼컴퓨터 후가쿠 덕분에 가능했습니다. 앨런 연구소의 과학자들과 일본 전기통신대학의 타다시 야마자키 박사는 이 연구를 이끌기 위해 세 곳의 일본 기관과 협력했습니다. 전체 연구 결과는 11월 중순에 개최되는 세계 최고의 슈퍼컴퓨팅 컨퍼런스인 SC25에서 발표될 예정인 논문에 자세히 기술될 예정입니다.

질병과 뇌 기능을 탐구하는 새로운 방법

연구자들은 이 가상 피질을 사용하여 신경 질환이 어떻게 발생하는지, 뇌파가 주의력에 어떻게 기여하는지, 그리고 발작이 신경망을 통해 어떻게 이동하는지 연구할 수 있습니다. 과거에는 이러한 질문들을 해결하기 위해 실제 뇌 조직이 필요했고, 개별 실험을 통해서만 해결할 수 있었습니다. 이 모델을 통해 과학자들은 디지털 공간에서 다양한 아이디어를 시험해 볼 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 증상이 나타나기 전에 뇌 질환이 어떻게 시작되는지에 대한 초기 단서를 제공하고 잠재적 치료법을 평가하는 안전한 방법을 제공할 수 있습니다.

"이것은 문이 열려 있음을 보여줍니다. 충분한 컴퓨팅 성능으로 이러한 종류의 뇌 시뮬레이션을 효과적으로 실행할 수 있습니다."라고 이 프로젝트에 참여한 앨런 연구소 연구원 안톤 아르키포프 박사는 말했습니다. "이것은 훨씬 더 큰 모델이 가능할 뿐만 아니라, 정밀성과 규모를 갖춘 모델도 구현할 수 있다는 확신을 주는 기술적 이정표입니다."

이 협력적 노력은 심층적인 신경과학 지식과 세계적 수준의 기계 처리 능력을 결합합니다. 앨런 연구소는 앨런 세포 유형 데이터베이스(Allen Cell Types Database)와 앨런 연결성 아틀라스(Allen Connectivity Atlas)의 데이터를 활용하여 가상 뇌의 생물학적 기반을 구축했으며, 후가쿠는 모델 생성에 필요한 방대한 연산을 담당했습니다.

연구자들이 전체 피질 시뮬레이션을 만든 방법

이화학연구소(RIKEN)와 후지쯔(Fujitsu)가 개발한 후가쿠(Fugaku)는 역사상 가장 빠른 컴퓨터 중 하나로, 매초 40경(400,000,000) 이상의 연산을 처리할 수 있습니다. 이 숫자의 규모를 파악하려면 초당 한 번씩 세는 데 127억 년(우주의 나이인 138억 년)이 넘게 걸립니다. 이 시스템의 이름인 "후가쿠"는 후지산을 뜻하며, 이 기계의 광범위한 역량과 탁월한 성능을 반영합니다.

야마자키는 "후가쿠는 천문학, 기상학, 신약 개발 등 광범위한 계산 과학 분야의 연구에 사용되어 많은 사회 문제 해결에 기여하고 있습니다."라고 말했습니다. "이번 연구에서는 후가쿠를 신경 회로 시뮬레이션에 활용했습니다."

슈퍼컴퓨터는 노드라고 불리는 여러 개의 작은 처리 장치로 구성됩니다. 이 노드들은 유닛, 선반, 랙으로 구성되어 총 158,976개의 노드로 구성된 시스템을 형성하며, 엄청난 양의 데이터와 계산을 처리할 수 있습니다.

생물학적 데이터에서 살아있는 디지털 피질로

연구팀은 앨런 연구소의 뇌 모델링 툴킷을 사용하여 생물학적 데이터를 피질의 기능하는 디지털 재구성으로 변환했습니다. 살아있는 신경 세포의 행동을 시뮬레이션하기 위해, 뉴라이트(Neulite)라는 도구를 사용하여 수학 방정식을 실제 신경 세포처럼 스파이크, 신호 전달, 통신이 가능한 가상 신경 세포로 변환했습니다.

시뮬레이션을 보는 것은 실제 뇌 활동을 관찰하는 것과 비슷합니다. 이 모델은 뉴런 구조, 시냅스 활동, 그리고 세포막을 통과하는 전기 신호 전달의 세밀한 부분까지 재현합니다. 야마자키는 "기술적인 업적이지만, 이제 첫걸음일 뿐입니다."라고 말했습니다. "신은 디테일에 깃들어 있습니다. 생물물리학적으로 세부적인 모델에 있다고 생각합니다."

"저희의 장기적인 목표는 연구소에서 밝혀내고 있는 모든 생물학적 세부 정보를 활용하여 전체 뇌 모델, 나아가 인간 모델까지 구축하는 것입니다."라고 아르키포프는 말했습니다. "이제 단일 뇌 영역 모델링에서 마우스의 전체 뇌 시뮬레이션으로 전환하고 있습니다." 이처럼 강력한 계산 시스템을 통해 완전하고 생물학적으로 정확한 뇌 모델의 가능성이 개념에서 현실로 옮겨가고 있습니다. 과학자들은 뇌를 이해하는 것이 곧 뇌를 구축하는 것을 의미하는 새로운 시대로 접어들고 있습니다.

이 최첨단 연구는 로라 그린 박사, 베아트리스 에레라 박사, 카엘 다이 이학사, 린 쿠리야마 이학사, 카야 아키라 박사를 포함한 국제 연구팀의 도움으로 가능했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/11/251118212037.htm