내몸 ≫ 두뇌 ≫ 기억

기억 : 피부에 4번째 전자소자(멤리스터)가 있다

기억 : 경계는 없다
- 몸과 마음(뇌)의 경계는 없다
- 피부도 기억한다
- 장기도 기억한다

땀구멍이 꿈의 소자 ‘멤리스터’ 구현
2011년 03월 11일 박미용 동아사이언스 객원기자 pmiyong@gmail.com

우리 몸을 외부로부터 보호하는 피부가 자연에서 찾을 수 있는 꿈의 나노소자 ‘멤리스터‘이라는 연구결과가 나왔다. 동아일보 자료사진피부는 기억한다. 마지막의 찌릿한 경험을 말이다. 얼마나 오랫동안, 얼마나 세게 전기자극을 받았는지 기억하면 다음 행동이 달라진다. 피부는 30년 넘게 잊혀졌던 4번째 전자소자 ‘멤리스터’와 비슷하다. 최근 인간의 피부가 멤리스터처럼 작동한다는 연구결과가 나왔다.

●뇌를 모방한 전자소자, 멤리스터

멤리스터는 인간의 뇌 속 시냅스처럼 작동하는 전자소자다. 시냅스는 신경세포(뉴런) 사이를 연결하는 부위다. 정보는 이 시냅스를 통해 오고간다. 이때 시냅스는 마지막으로 경험한 전기 정보가 얼마나 오랫동안, 얼마나 세게 지나갔는지 기억한다.
시냅스의 작동은 멤리스터와 닮았다. 멤리스터는 전하의 흐름을 방해하는 저항처럼 작동한다. 동시에 메모리 기능도 갖고 있다. 멤리스터도 시냅스처럼 마지막에 경험한 전기자극을 기억한다. 이에 따라 저항값이 달라진다. 그래서 메모리(memory)와 저항기(resistor)를 합쳐 ‘멤리스터(memristor)’라고 부른다.
만약 멤리스터가 없다면 갖가지 전자소자를 여러 개 동원해야 시냅스를 모방할 수 있다. 멤리스터 하나는 반도체 혁명을 이끈 트랜지스터 7~12개를 대신할 수 있을 정도다. 뿐만 아니라 전기가 없어도 기억을 유지할 수 있다. 반면 트랜지스터는 전기가 계속 켜져 있어야 한다. 그래서 멤리스터는 우리 뇌를 닮은 인공지능(AI) 개발에 필수적인 꿈의 소자로 여겨지고 있다.

●피부는 우리 몸의 또다른 멤리스터

그런데 노르웨이 오슬로대학 곰 존슨(Gorm Johnsen) 교수팀이 뇌가 아닌 다른 부위에도 멤리스터가 존재한다는 사실을 발견했다. 바로 우리 몸을 외부로부터 보호하는 피부다. 과학주간지 뉴사이언티스트는 최근 물리학 저널 ‘피지컬리뷰E’에 이 연구가 곧 게재될 예정이라고 밝혔다.
연구진은 피부에 어떤 전기가 처음 걸리느냐에 따라 멤리스터처럼 저항이 달라진다는 점을 알아냈다. 연구진은 팔의 피부 여러 부위가 음극(-)을 띠도록 전기를 걸었다. 이어 전류를 흘려보냈더니 피부의 저항값은 낮아졌다. 반면 피부가 양극(+)을 띠도록 전기를 걸었을 경우, 이어서 피부를 흐르는 전류는 훨씬 더 센 저항과 마주쳐야 했다. 이전에 어떤 찌릿한 경험을 했는지 피부가 기억한다는 의미다.
연구진은 피부가 어떻게 멤리스터처럼 작용하는지도 밝혀냈다. 비밀은 피부 속 땀구멍에 있었다.
피부 표면이 음극(-)을 띠면 땀구멍 속에 있던 땀이 위로 올라온다. 땀에는 나트륨처럼 양(+)의 전하를 띠는 이온이 들어있기 때문이다. 땀은 전기가 잘 통하므로 피부 표면의 전기전도성이 높아진다. 그리고 저항은 줄어든다. 저항의 감소 폭은 피부가 얼마나 오랫동안 음극을 띠도록 하느냐에 따라 달라진다.
반대로 피부에 양극(+)을 띠게 하면 양이온(+)을 갖고 있는 땀이 아래로 밀려난다. 피부의 저항이 높아지는 것이다.

●1971년 개념 등장, 2008년 처음 구현

1971년 멤리스터 개념을 처음 주창한 미국 버클리 캘리포니아대 레온 추아 교수최근 멤리스터가 실제로 구현되면서 다시 주목을 끌고 있다.
멤리스터는 1971년 처음 등장했다. 미국 버클리 캘리포니아대 레온 추아(Leon Chua) 교수가 주장한 개념이다. 회로이론에 따르면 전자회로를 구성하는 기본요소는 레지스터(resistor), 인덕터(inductor), 커패시터(capacitor) 3가지다. 추아 교수는 여기에 4번째 요소, 즉 멤리스터가 존재해야 한다는 사실을 수학적으로 증명했다. 하지만 멤리스터를 어떻게 구현하는지에 대한 아이디어는 없었다. 멤리스터가 ‘빠져있는 4번째 요소’라고 불리며 30년 넘게 잊혀진 이유다.
그러다 2008년 휴렛패커드(HP)사 연구팀이 멤리스터를 구현하는 데 최초로 성공했다. 연구진은 자외선차단제나 흰색페인트에 사용되는 ‘이산화티탄(titanium dioxide)’을 나노 크기로 제어하다 멤리스터를 만들었다.
이후 멤리스터 기술은 빠른 속도로 발전하고 있다. 미국 국방부 산하 국방첨단연구기획청(DARPA)은 2009년부터 HP, IBM 등에 멤리스터 연구를 지원하고 있다. 뇌를 닮은 컴퓨터를 만들기 위해서다. 멤리스터를 이용한 컴퓨터 개발 경쟁이 시작된 것이다. HP사는 수년 내 멤리스터를 차세대 메모리로 상용화하겠다는 계획을 내놓기도 했다.


눈이 있어야만 볼 수 있는 건 아니다 - 피부로 세상을 ‘보는’ 거미불가사리
생명과학  양병찬 (2018-01-26 09:50)
불가사리의 친척뻘인 거미불가사리는 전신의 피부에 분포한 광감지세포(light-sensitive cell)를 이용하여 주변 환경을 인식할 수 있다.


The brittlestar Ophiocoma wendtii joins a list of animals that can 'see' without using eyes. Credit: Lauren Sumner-Rooney/ ＠ phys.org

눈이 있어야만 볼 수 있는 건 아니다. 불가사리의 친척뻘인 거미불가사리류(brittlestars)의 오피오코마 벤드티이(Ophiocoma wendtii)는 눈과 비슷한 구조체가 아니라 전신의 피부에 산재하는 광감지세포(light-sensitive cell) 덕분에 해저를 훑어볼 수 있다.

1월 24일 《Proceedings of the Royal Society B》에 실린 논문에서(참고 1), 연구자들은 오피오코마가 환경을 바라보는 방법에 대한 오랜 가설을 뒤집었다.

산호초에 서식하는 오피오코마는 중심부의 원반에 연결된 다섯 개의 팔로 구성되어 있는데, 뇌가 없지만 빛을 탐지한 다음 반대쪽으로 움직인다. 한 겹의 얇은 피부를 걸친 오피오코마의 골격은 공(球) 비슷한 결정구조로 뒤덮여 있는데, 과학자들은 이것들이 합세하여 하나의 커다란 겹눈(compound eye)처럼 작동한다고 생각했었다(참고 2). 이 '마이크로렌즈'들의 배열이 그 밑에 있을 걸로 생각되는 신경다발에 광초점을 형성함으로써 상(像)을 맺을 수 있다는 게 과학자들의 생각이었다(참고 3).

【참고】 오피오코마의 결정구조

연구자들이 한때 렌즈로 생각했던 오피오코마의 결정구조를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하여 색깔을 입힌 것.



그러나 한 무리의 진화생물학자들은 오피오코마의 골격을 좀 더 면밀히 분석한 결과, 그 미세한 결정구조들이 시각과 아무런 관련이 없을 수 있음을 깨달았다. "이번 연구결과는 종래의 해석과 배치된다"라고 캘리포니아 주 LA 카운티 자연사발굴관의 고든 헨들러 박사(동물학)는 말했다. 그는 오피오코마의 겹눈에 관한 아이디어를 제시한 첫 번째 과학자들 중의 한 명이다.

"이번 연구는 자연이 얼마나 우리를 놀라게 하는지를 잘 보여주는 사례다"라고 UC 산타바버라의 토드 오클리 박사(진화생물학)는 말했다. "간혹 좀 더 자세히 들여다보면 예기치 않았던 것들이 발견되곤 한다."

피부 깊숙이

연구진은 먼저, 오피오코마가 시각신호에 반응할 수 있다는 사실을 확인했다. "그들은 빛에서부터 멀어져갈 뿐만 아니라, 40센티미터쯤 되는 거리에서 그늘을 알아보고 그곳을 향해 재빨리 이동할 수 있다"라고 이번 연구를 지휘한 영국 옥스퍼드 대학교의 로렌 섬너-루니 박사(신경생물학)는 말했다.

연구진이 오피오코마의 몸속을 들여다보니, 신경다발은 기대했던 것과 정 반대의 장소에 분포하고 있었다. 즉, 결정구조 '아래'가 아니라 그 '사이에' 분포하는 것이 아닌가! "결정구조의 위치가 다르다면, 그것들이 - 종전에 생각했던 것과 달리 - 신경에 광초점을 형성하지 않을 가능성이 높다"고 섬너-루니 박사는 말했다.

설상가상으로, 연구진은 오피오코마의 팔 골격을 뒤덮고 있는 피부에서 많은 세포들을 발견했는데, 그 세포들에는 광감지분자가 빽빽이 들어차 있었다. 그러나 골격의 결정구조의 기부(base)에서는 그런 세포들이 발견되지 않았다. "그런 광감지세포들은 신경다발과 긴밀한 연락을 주고받는 게 상례이므로, 시각신호를 탐지하여 신경을 통해 전달하는 데 관여하는 것으로 보인다"라고 섬너-루니 박사는 설명했다.

"그 신경들이 정확히 어떤 반응을 생성하는지, 예컨대 팔을 빛에서 먼 곳으로 움직이게 하는지는 아직 불분명하다"라고 예일 대학교의 엘리자베스 클라크 박사(진화생물학)는 말했다.

더욱 커다란 의문은 '오피오코마가 형태를 식별할 수 있는가'이다. "우리가 현재 진행하고 있는 실험에 따르면, 오피오코마는 - 눈을 보유한 동물들과 마찬가지로 - 형체를 구별할 수 있는 것으로 보인다"라고 섬너 루니 박사는 말했다.

눈 없이도 볼 수 있다

"눈이나 '눈 비슷한 구조체' 없이도 보는 능력을 안구외 광감지(extraocular photoreception)라고 하는데, 이러한 능력이 생각보다 널리 퍼져있다는 생각이 점점 더 증가하고 있다"라고 이번 연구의 공저자인 벨파스트 퀸즈 대학교의 줄리아 시그워트 박사(진화생물학)는 말했다. 성게와 작은 갑각류 중 일부를 비롯한 많은 동물들이 그런 메커니즘을 이용하여 주변 환경을 인식하는 것으로 알려져 있으며(참고 4), 거미불가사리류는 가장 최근에 그 목록에 이름을 올렸을 뿐이다.

"시각신호가 긴 경로를 거쳐 뇌에 도착하기를 기다릴 필요 없이, 환경을 감지하여 자극에 곧바로 반응하면 많은 시간이 절약된다"라고 시크워트 박사는 말했다. 이러한 개념은 중앙통제시스템에 의존하지 않는 로봇이나 이미지인식 기술을 개발하는 데 영감을 줄 것으로 보인다.

"한때 연구자들이 마이크로렌즈로 작용한다고 생각했던 결정구조의 경우, 단지 골격의 일부에 불과하다. 그 투명성과 광초점 형성능력은 완전히 우연의 일치였다"라고 시그워트 박사는 덧붙였다.

그러나 헨들러 박사의 의견은 다르다. "결정구조는 여전히 빛을 골격에 전달할 수 있다. 나는 그게 시각기능의 일부를 수행할 가능성을 배제하지 않는다"라고 그는 말했다.