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인간의 뇌 디지털 트윈 생성, 성공 위해 거쳐야 할 탐색 과정은 ‘이것’
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인간의 뇌 디지털 트윈 생성, 성공 위해 거쳐야 할 탐색 과정은 ‘이것’
이미 제조 현장과 산업, 항공 업계에서 디지털 트윈을 활용한다. 이제 유럽에서 인간의 뇌를 가상으로 복제하기 위한 뉴로트윈 프로젝트를 추진 중이다.
By GRACE BROWNE, WIRED UK

현실 세계를 가상으로 나타내는 디지털 트윈은 이미 제조 현장과 산업 현장, 항공 업계 등에서 깊이 의존하는 존재가 되었다. 도시와 항구, 발전소 등의 디지털 도플갱어가 존재한다. 디지털 트윈이라는 용어는 2010년, 미국 항공우주국(NASA) 연구원 존 비커스(John Vickers)가 NASA의 기술 로드맵을 통해 처음 도입했으며, 다수 업계 애널리스트는 2026년이면 디지털 트윈 시장이 500억 달러 규모로 성장할 것이라는 전망치를 제시했다.

디지털 트윈 개념이 생물학에 서서히 영향을 미치는 데 그리 오랜 시간이 걸리지 않았다. 2016년, 당시 GE 디지털 CEO였던 빌 루(Bill Ruh)는 “디지털 트윈이 탄생하고 누구나 실행하는 센서에서 데이터를 수집할 것이다. 그 후, 디지털 트윈은 각종 질병과 암 등 다양한 요소를 예측할 것이다”라고 주장했다. 디지털 트윈은 환자를 위한 맞춤형 치료를 제공하며, 질병 호전 방식을 예측할 수 있다. 잠재적 효과가 있는 치료법을 두고 환자를 대상으로 각종 위험 요소가 존재하는 조건 대신 디지털 트윈을 채택해 임상시험을 진행할 수도 있을 것이다.

지금까지 생물학계의 디지털 트윈 프로젝트 대부분 초기 단계에 머물렀다. 유럽과 영국, 미국에서 에코 (Echoes)라는 이름으로 진행 중인 연구 프로그램은 디지털 심장 생성 작업에 착수했다. 독일 의료장비 기업 지멘스 헬시어니스(Siemens Healthineers)도 똑같이 생물학계에서의 디지털 트윈 활용 프로젝트를 시행한다. 프랑스 소프트웨어 기업 다쏘시스템(Dassault Systèmes)은 미국 식품의약청(FDA)과 협력해 이른바 ‘살아있는 심장(The Living Heart)’ 승인을 추진 중이다. 호주 기업 골렘(Golem)은 취약 계층 1인 가구를 위한 디지털 트윈을 개발 중이다. 디지털 트윈이 계속 인간의 건강을 모니터링하고, 병에 걸려 도움이 필요할 때 간호인 대신 디지털 트윈이 환자를 돌본다는 계획으로 구상됐다.

이제 여러 연구팀이 디지털 복제 버전 뇌 개발이라는 가장 고귀한 목표를 추진 중이다. 유럽에서 추진 중인 프로젝트 ‘뉴로트윈(Neurotwin)’은 환자 개인의 뇌 전체를 컴퓨터로 제작한 모델로 설계하고자 한다.

뉴로트윈 팀은 디지털 뇌 모델을 뇌전증과 알츠하이머 등 신경장애 질환 치료 시뮬레이션 효과 예측에 활용할 수 있기를 바란다. 2023년 중으로 임상시험에 착수해, 뇌에 특화된 효과가 있는 뇌 시뮬레이션 치료를 받게 될 알츠하이머 환자 60명의 디지털 트윈을 제작할 예정이다. 2023년 진행될 2차 임상시험도 똑같은 실험을 진행하지만, 치료 저항 초점 간질 환자를 대상으로 실험을 진행한다는 차이가 있다. 개념 증명 방식으로 디지털 트윈 치료 접근방식의 효과와 환자 치료 결과 향상 효과를 판단할 예정이다. 실험을 성공적으로 종료한다면, 연구팀은 디지털 트윈 치료 기술을 다발성 경화증과 뇌졸중 재활, 우울증, 환각 효과 등 다른 뇌 질환의 디지털 트윈 치료 효과를 연구할 계획이다.
 
[사진=Unsplash]
[사진=Unsplash]

뇌전증 환자 1/3은 약물치료 효과가 없었다. 고통 없이 뇌로 전류를 전달하는 개입이 없는 시뮬레이션이 도움이 발작 증세 발현 빈도와 심각성을 완화하는 데 도움이 됐다. 그러나 디지털 트윈 자체는 여전히 새로운 기술이며, 개선해야 할 사항도 존재한다. 이 때문에 가상 뇌가 매우 유용하다는 사실이 입증됐다.

뉴로트윈 프로젝트 협력 담당자이자 뇌전증 등 신경 질환의 인간 개입 없는 치료법을 개발하는 스페인 헬스 테크 스타트업 뉴로일렉트로닉스(Neuroelectrics) 최고 과학 관리자 겸 공동 창립자인 길리오 루피니(Giulio Ruffini)는 기본적으로 디지털 아바타는 컴퓨터에서 실행하는 수학적 모델이라고 설명했다. 뇌전증 환자의 디지털 뇌를 개발하기 위해 30분 분량의 MRI 데이터와 10분간 진행한 뇌파 전위 기록술(EEG) 분석 결과를 수집하고는 뇌의 전자 활동을 포착한 컴퓨터 모델 생성은 물론이고, 두피와 두개골, 뇌척수액, 회백질 등 뇌의 주요 조직을 현실적으로 자극하는 데 활용한다.

루피니가 설명한 바와 같이 디지털 트윈은 신경 질량 모델을 내장했다. 루피니는 신경 질량 모델이 포함된 디지털 트윈이 기본적으로 서로 연결된 뉴런의 평균 행동을 나타내는 컴퓨터 모델이라고 말했다. 디지털 트윈은 환자 뇌의 신경 연결 지도인 커넥톰(connectome)을 활용하여 설계되었다. 뇌전증 환자의 뇌에서는 커넥톰 일부 영역이 과도한 흥분 반응을 일으킬 수 있다. 뇌졸중 환자의 커넥톰을 교체할 수 있다. 연구팀은 디지털 트윈을 생성한 뒤 이를 실제 환자의 뇌 시뮬레이션 결과를 최적화하는 데 활용한다. 루핀은 “디지털 트윈은 필요한 결과를 얻을 때까지 무제한으로 시뮬레이션할 수 있다. 날씨 예측 컴퓨터 모델과 같다고 말할 수 있다”라고 설명했다.

예를 들어, 뇌전증 환자의 치료 효과를 향상하고자 한다면, 20분간 머리뼈를 경유하여 전기 시뮬레이션을 뇌로 전달하는 헤드캡을 매일 20분간 착용하면 된다. 루피니 연구팀은 디지털 트윈을 이용해 시뮬레이션을 최적화할 수 있는 전극의 위치를 찾고, 현재 적용 수준도 최적화하는 방향으로 확인할 수 있다.

어떠한 장기든 디지털 트윈으로 제작하면, 각종 윤리적 의문점이 제기될 수 있다. 예를 들어, 환자가 2주 이내로 심장마비가 발생할 것이라는 디지털 트윈의 예측 결과를 알 권리가 있거나 알지 못할 권리가 있을까? 만약, 환자가 사망한 뒤 생전에 제작한 디지털 트윈은 어떻게 되는가? 디지털 트윈 생성 과정 자체가 법적, 윤리적 권리를 갖게 될까?

반면, 독일 엘랑겐 뉘른베르크대학교(University of Erlangen-Nürnberg) 윤리학자인 매티스 브라운(Matthias Braun) 박사는 가상 신체는 흥미와 새로운 치료법을 발견할 혁신적 경로를 제공한다고 주장한다. 브라운 박사는 헬스케어 산업에서의 디지털 트윈 활용 관련 윤리적 문제를 다룬 논문을 발표했다. 그는 “반대로 디지털 트윈이 인간에게 큰 어려움을 안겨줄 수 있다”라고 작성했다. 그 예시로 디지털 트윈 소유권을 갖게 되는 대상을 논할 수 있다. 디지털 트윈 제작 기업이 소유권을 갖게 될까? 또, 브라운 박사는 “환자가 개인 건강 보험이나 다른 맥락과 관련해 특정 정보나 예측 결과 사용을 거부할 권리를 가질 수 있을까? 자치권이나 프라이버시 침해 문제를 막고자 한다면, 특정 인물이 디지털 트윈 사용을 통제해야 한다”라는 견해를 제시했다. 디지털 트윈 통제권을 잃는다면, 결과적으로 브라운 박사가 제시한 것과 같은 ‘디지털 노예화’ 문제가 발생할 수 있다.

뉴로일렉트로닉스 CEO 안나 마이퀘스(Ana Maiques)는 뉴로일렉트로닉스가 이미 디지털 트윈 제작 시 개인 데이터와 관련해 발생할 수 있는 극단적인 문제를 다루는 데 큰 어려움을 겪고 있다고 밝혔다. 그는 “디지털 트윈을 맞춤형 서비스로 제공하고자 할 때, 답변하기 어려운 질문이 이어질 수도 있다. 누가 디지털 트윈에 활용한 데이터를 소유하게 될까? 그리고 디지털 트윈 활용 목적으로 수집한 데이터로 어떤 활동을 해야 할까?”라는 질문을 했다.

뉴로트윈 프로젝트는 스웨덴 웁살라대학교 신경윤리학자 마누엘 게레로(Manuel Guerrero) 박사를 포함해 윤리적, 철학적 요소 대표를 나누어 연구원으로 등록했다. 유럽에서 탄생한 뉴로트윈 프로젝트는 유럽연합의 개인정보보호 규정(GDPR)에 따라 데이터를 수집해야 한다. 게레로 박사는 GDPR이 적용되므로 연구 목적으로 데이터를 수집하기 전 데이터 소유자의 동의를 받아야 한다고 말했다.

게레로 박사 연구팀은 제조 업계에서 처음 생성된 디지털 트윈이라는 용어가 살아있는 인간의 뇌나 심장과 같이 매우 복잡하면서 역동적인 요소를 복제하는 행위에 사용하기 적합한가 연구한다. 디지털 트윈이라는 용어가 대중의 오해를 유발하거나 사회의 기대를 불러일으키는가? 게레로 박사는 “뇌는 그동안 제조 시스템에서 활용하는 다른 여러 트윈보다 훨씬 더 복잡하다. 따라서 신경과학계에서 뇌의 트윈이라는 개념은 논쟁의 여지가 있다”라고 지적했다.

뇌를 디지털 트윈으로 생성하는 과정은 심장이나 신장 모델 생성보다 훨씬 더 복잡한 수준의 다양한 질서이며, 게다가 윤리적으로 더 복잡한 문제를 일으킬 수도 있다. 루피니는 “현재 매우 정교한 뇌의 컴퓨터 모델을 개발 중이다. 어느 정도 일정한 단계에 이르면, 뇌의 디지털 트윈이 어느 정도까지 디지털 트윈이라고 볼 수 있는지 혹은 자각이 있는 요소라고 볼 수 있는지 모호해질 것으로 예상한다”라고 말했다.

브라운 박사는 디지털 트윈을 둘러싼 각종 까다로운 의문점을 고려해야 할 때라고 주장한다. 그는 “디지털 트윈의 법적, 윤리적 문제는 지금까지 직면한 여러 문제 중 매우 중요한 문제이다. 단순히 기술을 개발하고, 결과를 지켜본다고 말할 때의 결과를 예측할 수 있다”라고 언급했다. 이어, 훗날 윤리적, 도적적 여파를 배제할 때의 위험성을 경고했다.

뉴로트윈 연구팀은 연구 결과를 제대로 얻는다면, 디지털 트윈이 환자 치료 결과와 치료가 까다로운 뇌 질환 치료를 극적으로 향상할 수 있을 것이라고 기대한다. 마이퀘스는 “현재 뉴로트윈은 이전과는 전혀 다른 측면에서 뇌 질환 환자를 도울 작업을 진행 중이다. 물리학과 수학의 힘을 활용해 뇌의 문제를 해독하는 새로운 치료 범주라고 부르기를 바란다”라고 말했다.

** 위 기사는 와이어드UK(WIRED.co.uk)에 게재된 것을 와이어드코리아(WIRED.kr)가 번역한 것입니다. (번역 : 고다솔 에디터)

<기사원문>
The Quest to Make a Digital Replica of Your Brain
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