뇌의 작동 원리, 양자역학으로 풀었다…슈뢰딩거 방정식으로 해석

느린 신경 전달속도 양자역학 원리로 극복, 양자컴퓨터로 구현 기대

상대적으로 느린 신경 전달 속도로 빠른 계산을 해내는 뇌의 비밀을 양자역학의 수학으로 풀어낸 연구 결과가 나왔다. 이번 발견은 양자컴퓨터로 뇌의 작동 방식을 구현할 수 있는 실마리로도 주목받고 있다.

기존 뇌 분석 방식과 CHARM 분석 기법을 비교한 그래프(이미지=Physical Review E)

스페인 바르셀로나 폼페우 파브라 대학교의 구스타보 데코 교수팀과 영국 옥스퍼드대학교, 덴마크 오르후스대학교의 공동 연구팀은 과학저널 '피지컬 리뷰 E'에 '고조파 분해를 통해 밝혀낸 뇌의 저차원 임계 동역학'이라는 논문을 17일 발표했다.

연구진은 해당 논문을 통해 양자역학에서 사용되는 슈뢰딩거 방정식을 활용해 뇌의 작동 원리를 보다 정밀하게 설명할 수 있다고 밝혔다. 기존 방식은 뇌의 복잡한 네트워크 연산을 설명하는 데 한계가 있었지만 양자역학을 활용해 뇌의 장거리 연결과 비국소성의 영향을 구현할 수 있다는 설명이다.

구스타보 데코 교수는 "뇌의 신경 신호는 50~100ｍ/s 수준으로 3억m/s에 달하는 전기회로에 비해 놀라울 정도로 느림에도 생존에 필요한 민감한 계산을 컴퓨터보다 빠르게 처리한다"며 "느린 정보 전달 속도의 한계를 물리학적으로 어떻게 극복했는지 방안을 제시한다"고 논문 발표 이유를 밝혔다.

지금까지 뇌 관련 연구는 뇌 신호가 인접한 뉴런들 사이를 퍼져 나간다고 가정해 열 방정식(heat equation)을 사용해왔다.

하지만 연구진은 뇌는 양자얽힘처럼 서로 멀리 떨어진 영역 간에도 동시에 서로에게 영향을 주는 장거리 상호작용이 존재하며 이를 양자 물리학적 간섭(interference)으로 표현할 수 있다는 사실을 확인했다.

이를 입증하기 위해 슈뢰딩거 방정식을 바탕으로 한 분석 기법 '복소 고조파 분해(CHARM)'를 개발해 검증에 나섰다.

CHARM을 이용해 1천명 이상의 뇌 영상 데이터를 분석한 결과 기존 열 방정식을 사용한 방식보다 훨씬 높은 정확도로 뇌의 신호 흐름을 재현한 것으로 나타났다. 또 깨어 있는 상태와 깊은 수면 상태 등 뇌 활동 차이도 정밀하게 구별해낼 수 있었다.

연구진은 CHARM의 강점으로 뇌의 복잡성을 단순화하면서도 중요한 정보 흐름을 빠짐없이 반영할 수 있는 점이라고 설명했다.

기존 방식은 뇌의 국소적 연결만 고려해 전체 뇌 네트워크가 협력하는 모습을 정확히 포착하기 어려웠지만, CHARM은 각 영역이 멀리 떨어져 있어도 서로 협력해 문제를 해결하는 방식까지 상세히 분석할 수 있다는 것이다.

또 이번 연구는 동시에 여러 정보를 병렬적으로 처리하며 복잡한 문제를 빠르게 해결한다는 점에서 양자컴퓨터의 구조와 유사해 이를 활용한다면 인간 뇌의 작동 방식을 재현할 수 있는 실마리가 될 전망이다.

구스타보 교수는 "뇌가 놀라울 정도로 느린 신호전달 속도에도 불구하고 복잡한 계산을 실시간으로 해내는 이유 중 하나는 뇌에서 발생하는 정보를 동시에 결합하고 처리할 수 있기 때문"이라며 "이러한 특징을 양자물리학의 파동 방정식을 이용해 설명함으로써 상호작용 패턴을 더 정밀하게 해석할 수 있게 됐다"고 강조했다.