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[주제목] 영국 디지털 헬스케어 성장 주목

[부제목] 디지털 헬스케어 산업 및 현황

◈ 목차

Ⅰ. 서론

Ⅱ. 감각 디코딩 기술

Ⅲ. 뉴로모픽 디바이스

  1. 뉴로모픽 뉴론 및 시냅스 소자

  2. 뉴로모픽 센서 소자

Ⅳ. 뉴로모픽 인지 기술

  1. 뉴로모픽 인지

  2. DNN & SNN 한계

  3. 뉴로모픽 프로세서

  4. 뉴로모픽 인지 기술 응용

Ⅴ. 기술 발전 전망

Ⅵ. 결론

◈본문

Ⅰ. 서론

 오늘날 가상 및 증강 현실(VR/AR/MR) 기술의 발달과 더불어 가상 시뮬레이터 그리고 의료용 수술 및 원격 로봇 등 다양한 인간-기계 인터페이스 기술이 발달함에 따라 시각, 청각뿐만 아니라 촉각 및 후각 등의 오감이 가상으로 구현되는 초실감 기술 필요성이 증대되고 있다.

 오감이 구현된 기술 적용을 위해서는 인간의 감 각 지각에 대한 감각신경의 발화양상 원리에서부터 뇌인지 정보처리까지의 감각신경경로(Sensory Pathway)에 대한 신경생리학적 기전을 규명하고, 이 를 활용한 감각신경의 인코딩/디코딩 기술 개발이 필요하다.

 특히, 오감 중 촉각과 후각은 인간의 감각 인지에서 외부 사물과의 긴밀한 접촉 상호작용을 통하여 현실감을 부여하는 필수적인 감각이지만 시각, 청각, 촉각과 유사한 성격의 통각 등의 다른 감각에 비해 촉각에 대한 신경생리학적 기전은 명확하게 밝혀지지 않았으며, 이로 인해 촉각의 감각 지각에 대한 뉴로모픽 인코딩/디코딩 분야 기술 개발 수준 이타 감각에 비해 현저히 뒤처져 있다.

 촉각의 감각 인지는 피부에 존재하는 촉각수용체 (Receptor)에 적용된 촉각 자극의 선택적 검지 및 처 리를 통해 이루어지며, 유입된 촉각 정보들은 구심 경로(Afferent Pathway)를 통하여 대뇌 피질에 전달되 어 처리되며, 촉각 정보를 수용할 수 있는 기계적 촉 각수용체는 압력과 진동이 존재하며 각각의 촉각 정보는 느린 적응(SA: Slow Adaptive)과 빠른 적응(RA: Rapid Adaptive) 신경을 통하여 대뇌 피질의 체성 감 각(Somatosensory) 뉴런으로 전달되어 처리된다. 즉, 질감 정보 자체를 수용할 수 있는 수용체가 부재하 기 때문에 압력과 진동 수용체에 전달된 정보들의 조합을 통하여 질감과 같은 복합 촉각 자극 정보를 처리할 수 있다(그림 1(a)).

(그림 1) 감각 인지 신경경로 개념도: (a) 촉각 자극 감각 인지 신경경로, (b) 후각 자극 감각 인지 신경경로

 후각은 상한 음식이나 유해한 가스에 대한 경고 를 해주는 기능뿐만 아니라 동물의 경우 페로몬을 통한 동물의 번식, 영역표시, 상대방에 대한 공격 또는 항복 의사표현 등에 활용된다. 후각신경은 12개로 명명된 뇌신경 중 제1뇌신경이며, 후각신 경에 의해 후각 감각이 동작한다. 후각 감각의 경로 에 대해서 알아보고 각각의 경로상에서의 후각 관 련 신호를 파악하게 되면, 향후 뉴로모픽 감각 인지 기술개발에 활용 가능할 것으로 예상된다. 냄새에 대한 정보는 비강(Nasal Cavity)의 상피세포에서부터 경로가 시작된다. 전반적인 경로는 그림 1(b)에서 와 같이 상피세포 내에 존재하는 “후각수용체 세포 (Receptor Cell) > 후각신경(Olfactory Nerve) > 후각구 (Olfactory Bulb) > 후각로(Olfactory Tract) > 후각 결절 (Olfactory Tubercle) > 후각 피질(Olfactory Cortex) 또는 전교련(Anterior Commissure) > 기타 뇌 영역 신경”의 순서로 이루어진다.

 후각 물질이 후각수용체 단백질과 결합하면, 양 이온/음이온 채널의 개폐가 이루어지고, 이로 인해 후각 물질 정보가 생체 전기신호로 변환된다. 다수의 후각수용체에서 발생한 감지신호는 후각 상피 세포와 사상판(Cribriform Plate)을 거쳐 후각구에 모인다. 후각구에는 수많은 후각신경 축삭의 말단이 모여 사구체(Glomeruli)라고 불리는 구조체를 이룬다. 설치류의 경우 지름이 50~200μm 정도이며, 약 2천 개 정도 존재한다. 사구체에는 약 2만 5천 개 정 도의 후각신경 축삭말단이 100개 정도의 이차 후각 신경의 수지말단과 시냅스를 이룬다. 생체 내의 후 각 시스템은 특정 후각 자극을 부호화하기 위해 여 러 후각수용체로부터의 반응을 조합하고 패턴으로 인식한다. 현재까지는 해부학적, 전기생리학적 연 구와 전달물질 연구 등을 통해 후각 시스템에 대한 많은 이해가 이루어지고 있으나, 냄새 물질의 인지 및 인체에 대한 내분비 기능과 행동에 미치는 영향 에 대한 연구는 미진한 상태이다. 후각상피에서 얻 은 후각 정보는 이차 후각신경의 축삭을 통해 후각 로를 따라 후각 피질을 포함한 다양한 뇌 영역으로 전달된다. 후각 신호를 직접 전달받는 후각 피질은 단일 구조가 아니라 여러 뇌 영역의 조합으로 이루 어져 있다. 예를 들어 조롱박 피질(Piriform Cortex), 편도체(Amygdala), 내후각 피질(Entorhinal Cortex) 등 의 다양한 대뇌 피질(Cerebral Cortex)의 조합이고, 이 들 후각 피질의 후각 정보는 시상(Thalamus)을 거쳐 전전두 피질(Prefrontal Cortex)의 일부인 안와전두 피 질(Orbitofrontal Cortex)에 보내지고, 또한 식욕, 타액 분비, 위장 움직임 등의 자동반사적인 반응에 관련된 시상하부(Hypothalamus) 또는 뇌간(Brainstem)에 후각 정보가 전달된다. 일부 후각 정보는 후각 결절 에서 분기되어 전교련으로 전달되며, 해당 영역은 냄새 이외에도 고통, 기억, 감정, 청각 등의 감각과 관련된 역할을 하는 영역으로 알려져 있다. 후각 감각이 다른 감각과 관련된 뇌 영역과 연결 되어 있고, 고차적인 정보로 변환될 수 있다는 점은 후각이 우리의 인지 및 감정 체험에 중요한 역할을 하는 것을 보여준다. 이러한 이해는 인지 장애와 관련된 질병의 초기 증상과 후각 감각의 상실 사이의 연관성을 설명하는 데에 도움이 된다. 또한, 후각 감각의 모방을 위해 다양한 과학적 기술을 개발하 는 것은 가상현실, 의료 분야에서의 활용 가능성을 열어줄 것이다. 후각 감각과 관련된 연구는 미래에 뇌-기계 인터페이스, 신경과학, 의료과학 등 다양 한 분야에서 계속해서 진전되고 발전될 것으로 기대된다.

Ⅱ. 감각 디코딩 기술

 감각 디코딩(Sensory Decoding)이란 뉴런과 시냅스 로 구성된 생물학적 신경계의 스파이크 신호 전달 체계를 분석하여 감각 정보 처리 방식을 이해하는 과정을 의미한다. 감각 디코딩 기술은 로봇 및 신경 공학 관련 응용 분야에서 인공 감각을 구현하기 위 한 핵심 기술로 활용이 가능하다. 이 장에서는 최근 발표된 감각 디코딩 기술 관련하여 촉각과 후각 관 련 연구 동향을 소개한다.

 촉각 신경 디코딩 연구로, 2021년 미국 Harvard Medical School 연구팀에서는 생쥐의 앞발과 뒷발의 저임계 기계 자극 수용체(LTMR: Low-threshold Mechanoreceptor)의 수용 필드(Receptive Fields) 분포 와 기계 자극에 대한 반응 민감도에 관한 연구 결 과를 보고하였다. 자극의 유지 시간은 0.5초, 자극 의 세기는 1~75mN 범위에서 수행되었으며, 일차 감각 뉴런(Primary Sensory Neuron)에서 발생한 SA 신 호와 RA 신호가 하부 체성 감각 시스템(Subcortical Somatosensory System)을 통해 대뇌 피질로 전달되는 실험의 결과를 보였고, 선택적 광유전 조작을 활용하여 S1 영역과 VPL 영역 신호의 상관관계를 보고 하였다.

 이어 2022년 미국 Harvard Medical School 연구팀은 생쥐 뒷발바닥의 10~500Hz의 진동 자극 실험을 통해 LTMR과 더불어 PSDC(Postsynaptic Dorsal Column) 뉴런의 신호도 촉각 자극 전달에 기여한다고 보고하였다. LTMR은 피부에서 발생하는 미세 진동이나 촉감을 인식하는 반면, PSDC는 촉감의 시작 시점과 지속적인 접촉의 강도를 주로 인식하며, DCN(Dorsal Column Nuclei)에서 통합되어 촉각 을 인식한다고 보고하였다.

 촉감은 진동감(Vibration), 압력감(Pressure) 이외에도 표면이 부드러운지, 거친지, 뾰족한지 등을 느끼 는 질감(Texture)으로도 구분할 수 있다. 2019년 미국 시카고대학 연구팀은 원숭이에게 59가지의 서 로 다른 질감을 가지는 표면을 80mm/s 속도로 제 공하면서 오른팔의 정중신경(Median Nerve)과 척골 신경(Ulnar Nerve), 대뇌 피질의 S1 영역의 스파이크 신호를 측정하였다. S1 영역을 브로드만 영역에 따라 1, 2, 3영역으로 구분하였을 때, 표면 질감에 따라 모든 영역에서 스파이크 발화율의 차이가 존재 한다는 연구 결과를 보고하였다. 또한, 오른팔 신경 다발에서는 SA, RA와 파치니소체(PC)의 특성을 가지는 신호가 측정되었는데, 표면의 거칠기 정도에 따라 coarse한 표면에서는 SA 수용체가 더 민감하게 반응하고, fine한 표면에서는 PC 수용체가 더 민감 하게 반응한다고 보고하였다.

 국내에서는 2023년 UNIST 연구팀에서 longterm으로 자극되는 SA 수용체의 스파이크 발화 패턴 모델을 제안하였다. 기존의 Izhikevich 뉴런 모델이 long-term으로 자극되는 SA 수용체에 적용하였 을 때는 오차가 크게 나타남을 보이고, 지수 회귀 함수 형태의 long-term 스파이크 발화 패턴 모델과 작용하는 압력 자극의 크기에 따른 회귀 함수 모델의 최적 계수를 보고하였다. 실제 설치류에서 실 험을 통해 획득한 SA 수용체의 발화 패턴과 longterm 지수 회귀 분석 모델, Izhikevich 모델을 각각 비교하여 long-term 지수 회귀 분석 모델의 스파이크 발화율 최댓값과 steady-state 상태의 발화율이 실험의 결과와 유사함을 보고하였다.

 ETRI는 뇌에서 감각을 인지하기까지 전기 신호 형태의 스파이크 신호가 감각 정보를 전달하는 특성을 이용하여, 미세 전류를 통한 전기 자극으로 가 상 촉감을 구현하는 방법을 제안하였다. 설치류의 SA 수용체에서 측정한 long-term 스파이크 발화 패턴 모델을 기반으로 압력 자극 세기에 따른 스파이크 발화 패턴의 DB를 구축하고, 통계 분석 기반으로 전기 자극을 통한 가상 촉각 인코딩 모델을 제안하였다. 촉각 인코딩 모델을 기반으로 전기 자극 을 통한 가상 촉각 인코딩 모델의 유효성을 검증하기 위해, S1 영역 혹은 VPL 영역에서 발현되는 스 파이크 신호가 기계 자극을 주었을 때와 동일하게 발현되는지 확인하는 유효성 검증 실험을 수행 중이다.

 후각신경 디코딩 연구는 촉각, 청각, 시각 등의 다른 감각 기관에 비해 상대적으로 주목을 덜 받아왔으나, 2004년에 Richard Axel과 Linda B. Buck의 후각수용체가 후각을 어떻게 뇌로 전달하는가에 대한 추적 연구(Odorant receptors and the organization of the olfactory system)가 노벨 생리·의학상을 수상하였고, 이후 후각 연구에 관한 관심이 늘어나며 연구 활동이 활발해지고 있다.

 후각에 관한 연구는 후각 자극 물질(Odorant)을 감지(Detection)하는 후각수용체부터 후각신경 전달 및 정보처리 과정(Decoding), 자극에 대한 인지 (Perception), 후각 시스템의 가소성(Plasticity)에 이르기까지 다양하게 진행되고 있다. 일반적으로 후각 자극 물질은 비강에서 후각수용체 세포에 의해 감지된 후, 활동 전위(Action Potential)가 후각 경로를 통해 중추 신경계로 전달되 며, 특히 뇌의 후각 피질(Olfactory Cortex)에서 이 정 보가 해석되고 냄새를 인식하게 된다. 이러한 후각 자극 물질을 인지하는 과정에서 단일 물질과 혼합 물질에 대한 반응은 다르게 작용할 수 있다. 단일 물질에 대한 후각 반응은 주로 해당 물질의 화학적 특성과 관련이 있으며, 특정한 화학 구성 또는 분자 의 형태가 특정한 후각수용체와 상호작용하여 냄 새를 인지하게 된다. 반면, 다분자 혼합 물질에 대 한 후각 반응은 다양한 물질이 함께 존재하는 경우 로, 각 물질의 특성이 복합적으로 작용하게 된다. 이는 후각의 인지에 영향을 미칠 수 있으며, 어떤 물질은 다른 물질의 인식을 억제하거나 증폭시킬 수도 있다. 현재까지의 연구로는 단일 물질이 여러 개의 후각수용체를 동시에 자극할 수 있으며, 한 개의 후각수용체가 다분자 혼합 물질에 의해서 동시에 자극될 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 다양한 냄새 분자가 함께 섞여 있는 경우, 여러 후각수용체가 동시에 자극되며, 후각 시스템 에서 발생하는 복잡한 정보처리 과정으로 인해 이러한 혼합 물질이 어떻게 인식될 것인지는 더욱 이해하기가 쉽지 않다.

 후각수용체의 구조 모델링 연구와 관련하여 Horst Pick 교수 연구팀은 마우스 eugenol 수용체 (mOR-EG)를 이용하여 서로 다른 냄새 분자를 결합하고 구별하는 방법에 관해 연구하였다. 이 수용체 는 다양한 후각 자극 물질에 대해 민감하게 반응하 며, 그 반응성을 조절하기 위해 구조적으로 다양한 조정을 할 수 있음이 밝혀졌다. Anandasankar Ray 교수 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션(In silico)을 사용하여 다양한 후각 자극 물질과 후각수용체 간의 화학적 상호작용을 모델링하고 디코딩하는 방 법을 개발하였다. 이 방법을 통해 후각수용체에 반응할 만한 후보 화합물들을 찾아내었고, 예측된 화 합물의 약 71%가 실제로 수용체를 활성화하거나 억제하는 것으로 확인되었다.

 후각 인지 연구와 관련하여서 Jay A. Gottfried 교수 연구팀은 기능적 자기공명영상(fMRI: functional Magnetic Resonance Imaging)을 이용하여 냄새 감지 와 인식의 뇌 기작, 특정한 냄새가 기억과 연결되 는 방식에 대해 규명하고자 지속적인 연구를 진행 해오고 있으며, 최근에는 인간의 후각에 대한 보다 정밀한 생리학적 이해를 도출하기 위해 fMRI와 더불어 두개강내 뇌파 검사(iEEG: intracranial Electroencephalography)를 이용함으로써 우수한 시간적, 공간적 해상도를 제공하는 연구 방법론을 제시하였다.

 미세 전극을 뇌 내부에 삽입하여 후각 자극에 따 른 특정 뇌 영역의 전기 신호를 분석하는 연구도 활발히 진행되고 있다. Fan 등은 microelectrode arrays 를 이용하여 마우스의 공포 상황에서 medial amygdala 영역의 전기생리학적 활동을 조사하였다. 뉴런의 스파이크 발화율(Firing Rate)과 δ(1~4Hz) 및 θ (4~8Hz) 주파수 영역의 local field potential이 천적 냄새(2,4,5-dihydro-2,5 Trimethylthiazoline, TMT)에 노출된 이후 증가하였으며, medial amygdala 뉴런이 공포 감정을 암호화하는 신경 정보의 전달에 관여 할 수 있음을 보고하였다.

 최근 CBRAIN(Collective Brain Research platform Aided by Illuminating Neural activity)이라는 새로운 군집 뇌과학 솔루션이 보고되었으며, 한국전자통신 연구원에서는 이를 마우스 후각 연구에 활용 중에 있다. 해당 플랫폼은 쥐의 머리 위에 장착할 수 있도록 3g 이하의 초소형 디바이스로 구현되며, 저연산 알고리즘 및 특징점 추출 알고리즘(Interest Point Extraction Algorithm)을 통해서 실시간으로 뇌 파 분석 및 다양한 뇌파 상태를 LED로 시각화가 가능한 특징을 가지고 있다. 또한, 기존의 유선 시스템의 경우 행동 제한이 없는 다수 개체의 동시 관찰이 어려웠으나, CBRAIN은 무선 데이터 통신기술 을 통해서 자유로운 행동과 뇌신호를 동시에 획득 가능하다. 이에, 특정 후각 자극 물질에 대해 단일 개체의 반응뿐만 아니라 여러 개체의 사회적 상호 작용을 행동학적 및 전기생리학적 분석법을 활용 하여 연구 중에 있다. 이와 더불어 fMRI를 이용하 여 뇌기능 활성 영역 탐색 및 뇌기능의 연결성 분석 에 관한 연구도 함께 진행되고 있다. 이를 통해 후 각 자극에 기인하는 군집 뇌-행동 모델 정립에 활 용할 수 있을 것으로 예상된다.

...................(계속)

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