신경 세포 자동화 기반 형태 발생 모델
구글과 타프츠 대학교 연구진이 단일 세포로부터 복잡한 생물학적 형태를 자가 조립하고 손상된 부위를 재생하는 '신경 세포 자동화(Neural Cellular Automata)' 모델을 발표했습니다. 이 모델은 미분 가능한 시스템을 통해 단순한 규칙만으로 복잡한 구조를 형성하고 유지하는 생명체의 형태 발생(Morphogenesis) 과정을 성공적으로 시뮬레이션합니다. 이는 단순한 세포 집단이 어떻게 전체 형태를 인지하고 제어하는지를 규명하는 인공지능 및 발생 생물학 연구에 중요한 진전을 의미합니다.
Distill - 성장하는 신경 세포 자동화: 미분 가능한 형태 발생 모델
이미지를 클릭하거나 터치하여 패턴의 일부를 지우고 재생되는 과정을 확인할 수 있습니다. 더블 클릭 시 그리드에 새로운 시드(Seed) 세포가 생성됩니다. 속도 및 모델 유형(성장, 지속, 재생, 회전 등)을 조절할 수 있는 인터랙티브한 데모를 제공합니다.
[실험 4] 성장(Growing) 모델은 패턴을 생성하도록 학습되었지만, 이를 지속하는 방법은 모릅니다. 일부 패턴은 폭발하고 일부는 쇠퇴하지만, 일부는 거의 안정적이거나 심지어 일부가 재생되기도 합니다.
[실험 1] 지속(Persistent) 모델은 패턴이 오랜 기간 유지되도록 학습되었습니다. 흥미롭게도, 명시적인 지시가 없었음에도 불구하고 종종 스스로 재생 능력을 개발합니다.
[실험 2] 재생(Regenerating) 모델은 학습 과정에서 패턴 손상을 겪었기 때문에, 특히 중심 영역에서 재생 능력이 훨씬 강합니다. [실험 3]
이 연구는 노트북에서 직접 실습해 볼 수 있으며, 구글의 알렉산더 모드빈체프(Alexander Mordvintsev), 에토레 란다조(Ettore Randazzo), 에이빈드 니클라손(Eyvind Niklasson) 그리고 타프츠 대학교 알렌 발견 센터의 마이클 레빈(Michael Levin)이 공동 저자로 참여했습니다. (2020년 2월 11일 게재)
본 아티클은 '미분 가능한 자가 조직화 시스템(Differentiable Self-organizing Systems)' 스레드의 일부로, 이 분야의 전문가들의 비평을 포함하여 미분 가능한 자가 조직화 시스템을 탐구하는 초청 단문 형식의 실험적 포맷입니다. (관련 연구: 자가 분류 MNIST 숫자)
대부분의 다세포 생물은 단일 난자 세포로부터 삶을 시작합니다. 이 단일 세포의 자손은 매번 정확히 동일한 배열로 여러 기관과 조직을 갖춘 매우 복잡한 해부학적 구조를 안정적으로 자가 조립합니다. 자신의 몸을 구축하는 능력은 아마도 모든 생명체가 가진 가장 근본적인 능력일 것입니다. 형태 발생(Morphogenesis, 생물체의 형태가 발달하는 과정)은 자가 조직화(Self-organisation)라는 현상의 가장 두드러진 예시 중 하나입니다. 신체의 작은 구성 요소인 세포는 이웃 세포들과 통신하여 기관과 신체 계획의 형태, 각 기관이 자라야 할 위치, 상호 연결 방법 및 결국 언제 성장을 멈출지 결정합니다.
단순한 규칙에서 복잡한 결과가 창발(Emergence)하는 현상과, 외부 교란 하에서도 신체를 안정된 상태로 유지하거나 올바른 전체 형태를 보존하려는 항상성적 자기 조절 피드백 루프(Homeostatic Self-regulatory feedback loops) 사이의 상호 작용을 이해하는 것은 활발한 연구 분야입니다. 분명한 것은, 진화는 물리학과 컴퓨팅 법칙을 활용하여 유전체로 암호화된 세포 하드웨어에서 실행되는 매우 강건한 형태 발생 소프트웨어를 구현하는 방법을 학습해 왔다는 것입니다. 이 과정은 외부의 교란에 대해 극도로 강건합니다. 생물체가 완전히 발달한 후에도 일부 종은 손상을 복구할 수 있는 능력을 갖추고 있으며, 이를 재생(Regeneration)이라고 합니다. 도롱뇽 같은 생물은 중요한 장기, 사지, 눈, 심지어 뇌의 일부까지도 완전히 재생할 수 있습니다!
형태 발생은 놀라울 정도로 적응적인 과정입니다. 때로는 매우 비전형적인 발달 과정도 생존 가능한 유기체를 만들어낼 수 있습니다. 예를 들어, 초기 포유류 배아가 둘로 나뉘면 각각의 반쪽이 완전한 개체를 형성하여 일란성 쌍둥이가 태어납니다! 이 분야의 가장 큰 미스터리는 세포 집단이 무엇을 만들어야 하는지, 그리고 언제 멈춰야 하는지 어떻게 아는지에 대한 질문입니다. 게노믹스(Genomics)와 줄기세포 생물학은 각 세포 내의 특정 성분 분배와 다양한 유형의 세포 확립을 설명할 뿐 전체 그림의 일부에 불과합니다. 우리가 재생 과정에 필요한 많은 유전자를 알고 있음에도 불구하고, 세포가 복잡한 기관을 매우 구체적인 해부학적 최종 목표에 맞게 구축하거나 재구성하는 방법을 아는 데 충분한 알고리즘은 아직 알지 못합니다. 따라서 생명의학 향후 연구의 가장 중요한 핵심 중 하나는 세포 집단 내에서 대규모 해부학적 구조가 어떻게 지정되는지, 그리고 이 정보를 어떻게 재작성하여 성장과 형태에 대한 합리적인 통제를 가할 수 있는지를 발견하는 것입니다. 또한 생명의 소프트웨어가...