This one’s for the books: in a jaw-dropping study, a team just turned the human brain from a read-only memory device to a rewritable one.
이건 책에 나올 만하다. 한 연구진이 인간 뇌를 읽기전용 기억장치에서 재기록가능 장치로 만들었다.

 


“What?” you might ask. Of course the brain is rewritable. It’s constantly using electrical and chemical signals to encode our thoughts and memories.
“뭐시라?”고 당신은 물을 것이다. 물론 뇌는 재기록이 가능하다. 뇌는 지속적으로 전기신호와 화학신호를 사용하여 당신의 생각 및 기억을 부호화한다.

 


But that’s biology. When it comes to current neurotechnologies, humans haven’t been able to directly encode memories into our own brains. So far, projects like the BRAIN Initiative or connectomics have only helped us roughly glimpse the complicated neural code buzzing in our heads—that is, to “read” the brain.


하지만 이것은 생물학의 영역이다. 오늘날의 신경기술로는 인간의 뇌에 직접적으로 기억을 부호화시킬 수 없다. BRAIN 이니셔티브나 연결체학 같은 프로젝트가 진행 중이지만 뇌 속에서 일어나는 복잡한 신경 코드를 대략적으로 해석하는 (즉 뇌를 읽는) 데에만 성공했을 뿐이다.


 

No more. In this DARPA-funded study, researchers extracted memory-encoding electrical signals directly from a group of human volunteers while they performed a memory task. When they injected the signals back during recall, it boosted the volunteers’ performance by roughly 37 percent—a shockingly large effect. The results were published this month in the Journal of Neural Engineering.


하지만 더 이상은 아니다. DARPA가 지원한 이번 연구에서 연구진은 기억을 부호화하는 전기신호를 인간 자원자들로부터, 이들이 기억 관련 과제를 수행하고 있을 때 추출해냈다. 연구진이 해당 전기신호를 기억이 상기되는 시점에 다시 주입하자 인간 자원자들의 과제 수행 성공률이 대략 37% 증가했다. 이는 매우 큰 효과이다. 해당 실험결과는 신경공학지의 이번달 호에 게재되었다.

 


“This is the first time scientists have been able to identify a patient’s own brain cell code or pattern for memory and, in essence, ‘write in’ that code to make existing memory work better,” said study author Dr. Robert Hampson at Wake Forest Baptist Medical Center.


“이는 과학자들이 환자의 뇌세포에서 기억과 관련된 코드 또는 패턴을 확인하고 이를 다시 주입하여 기존 기억을 개선시키는데 성공한 첫 사례입니다”라고 웨이크포레스트밥티스트의료센터의 로버트 햄프슨 박사가 말했다.

 


The fact that the team distilled noisy neuronal chatter into “electronic” memories that the brain can reinterpret is incredible. For the future, it’s not hard to imagine fishing out hundreds or thousands of similar memory traces, translating them into 0s and 1s, and essentially digitizing a memory library.


연구진이 잡음섞인 신경신호에서 뇌가 해석가능한 '전기적' 기억을 얻었다는 것은 매우 놀라운 일이다. 미래에는 수백, 수천 개의 유사한 패턴을 추출하여 이를 0과 1로 변환함으로써 기억을 디지털화하는 일도 가능할 것이다.


 

But perhaps more promising is that the technology offers a glimpse of hope for those suffering from memory loss. People with Alzheimer’s disease, stroke, or epilepsy often struggle with forming new memories—this new tech offers a way to give their failing brains a boost.


그러나 그보다 더 중요한 점은 해당 기술이 기억력 상실로 고통받는 환자들에게 도움을 줄 수 있다는 것이다. 알츠하이머병, 뇌졸중 또는 뇌전증 환자들은 새로운 기억을 형성하는데 어려움을 겪는다. 이번에 개발된 기술은 해당 환자들의 뇌를 개선시켜줄 수 있다.


 

Hijacked Circuit

회로를 하이재킹해 보아요

 


This study builds on previous work in rats and monkeys.

해당 연구는 쥐와 원숭이를 대상으로 한 기존 실험에 기반하고 있다.

 


From the onset, the team took a clever approach: rather than trying to mimic all the minutiae that goes on in the brain during memory encoding, they looked for a simple—but sufficiently accurate—digital replacement.


실험 초기에 연구진은 기발한 접근방식을 택했다: 기억 부호화 도중 뇌 속에서 일어나는 모든 세세한 변화를 완벽하게 모방하는 대신 단순하고도 충분히 정밀한 디지털적 대체방안을 택한 것이다.


 

At the heart of every memory is a set of electrical signals that unfold in time. To Dr. Theodore Berger, this is the crux: it means that we can reduce something as abstract as a memory into mathematical equations and put them into a computational framework.


모든 기억의 핵심에는 시간에 따라 펼쳐지는 전기신호의 집단이 있다. 테오도어 버거 박사에 있어서 이는 매우 중요한 사실이었다: 기억처럼 추상적인 것들도 수학적 방정식으로 환원시킨 다음 계산장치에 집어넣을 수 있음을 뜻하기 때문이다.


 

“Of course people asked: can you model [memory] and put it into a device? Can you get that device to work in any brain? It’s those things that lead people to think I’m crazy. They think it’s too hard,” Berger said.


“물론 의구심이 있었죠: 기억을 모델로 만들어서 장치에 집어넣을 수 있는가? 그런 장치를 만들어도 모든 뇌에서 잘 작동할 것인가? 사람들은 이런 저를 미쳤다고 생각했습니다. 너무 어려운 일이라고 생각했거든요”라고 버거 박사는 말했다.


 

A biomedical engineer at the University of Southern California, Berger silenced his skeptics in 2015 when he introduced a set of mathematical theorems that powered the first memory prosthetic based on the hippocampus.


사우던캘리포니아대학교의 생물의공학자인 버거 박사는 2015년 최초의 해마기반 기억보철에 사용되는 수학적 방정식을 소개하여 비판을 잠재웠다.

 


At the heart of information processing in the hippocampus is a single pathway: electrical pulses travel from the input node, called CA3, to the output, CA1. But memory signals are non-linear: they’re noisy, easy to disrupt, and often overlap in time. The hippocampal network dramatically amplifies even random changes in the signals, leading to vastly different outputs—a “chaotic black box,” as Berger calls it.


해마가 정보를 처리하는데 있어 핵심적인 역할을 하는 경로가 있다. 바로 CA3라 불리는 입력노드에서 CA1 출력노드까지 이르는 경로이다. 그러나 기억신호는 선형적이 아니다. 기억신호에는 잡음이 많으며 쉽게 끊기고 시간에 따라 중첩되기도 한다. 해마는 신호에 생긴 우발적인 변화도 크게 증폭을 시키기 때문에 매우 다양한 출력을 발생한다. “일종의 혼돈스러운 블랙박스라고 할 수 있죠”라고 버거 박사는 말한다.


 

His first success came when, together with Dr. Dong Song, he developed a new model of hippocampal processing dubbed MIMO (multi-input, multi-output).


최초의 성공이 찾아온 것은 그가 동성 박사와 합께 새로운 해마 정보처리 모델 (다입다출 모델)을 개발하고 나서였다.


 

Using the algorithm, his team distilled electrical signals of a rat learning to pick a correct lever into computer code. In rats given a drug to temporarily block their natural memory, the team then pulsed CA1, the output region, with their code using implanted microelectrodes. Like magic, the rats regained their memory of the correct lever.


해당 모델을 사용하여 그의 연구팀은 올바른 레버를 고르는 쥐로부터 나오는 전기신호를 컴퓨터 코드로 바꿀 수 있었다. 이후 연구진은 쥐에게 자연기억을 차단하는 약물을 먹인 뒤 상기 모델을 따라 생성한 전기펄스를 쥐 뇌에 이식한 미세전극을 통하여 출력구역 CA1에 주입했다. 그러자 쥐는 거짓말 같이 어느 레버가 올바른 레버인지를 다시 기억해냈다.


 

Two rapid-fire successes followed soon after. In monkeys, the team convincingly showed that the algorithm could also restore memory deficits due to hippocampal malfunction.


그리고 얼마 안 있어 두 번의 성공이 뒤따렸다. 원숭이를 대상으로 한 실험에서 연구진은 상기 모델이 해마 부전으로 저하된 기억력을 다시 복구시켜 줌을 발견했다.


 

The time was ripe for the ultimate test: boosting human memory.

이제 궁극적인 실험, 즉 인간 기억을 개선하는 실험만이 남았다.


 

ROM to RAM

읽기전용기억장치에서 임의접근기억장치로

 


The team worked with 22 patients awaiting surgery for epilepsy. This is an enormously valuable group of people: they already have electrodes implanted in their brains to help pinpoint the source of their seizures. Similar to before, the team focused on the CA3 to CA1 hippocampal circuit, recruiting participants who had electrodes in those areas.


연구팀은 수술을 앞두고 있는 뇌전증 환자 22명을 대상으로 실험을 진행했다. 해당 환자들은 매우 가치가 있는 실험집단인데, 왜냐하면 발작의 근원을 파악하기 위해서 뇌에 전극을 이식한 환자들이기 때문이다. 지난 연구에서처럼 연구팀은 CA3에서 CA1까지 이르는 해마 경로에 초점을 맞추었고, 해당 구역에 전극이 이식된 환자들을 모집했다.


 

The team first showed a subset of volunteers images on a computer screen. After a brief delay of staring at a blank screen, the volunteers then picked out the original image from a set of up to seven others. This test was repeated roughly 100 times, during which the team carefully recorded from the participants’ hippocampi.


연구팀은 먼저 자원자들에게 컴퓨터 화면을 통해 특정 이미지를 보여줬다. 그 다음에는 잠깐 빈 화면이 나오다가 원래 보여줬던 이미지 + 7개의 다른 이미지가 화면에 나타난다. 자원자들은 그 중에서 자신이 봤던 이미지가 무엇인지 알아맞춰야 한다. 해당 실험은 대략 100회 반복되었으며, 그 동안 연구팀은 자원자들의 해마에서 나오는 신호를 기록했다.

 


These recordings allowed the team to parse out electrical patterns associated with the correct response, which were fed into a MIMO model. The data trained the model to predict how the output, CA1, fires in response to CA3 inputs in real-time.


연구짐은 이렇게 기록한 신호에서 올바른 정답과 연관된 전기패턴을 추출해낸 뒤 다입다출 모델에 입력했다. 이런 과정을 통해 다입다출 모델은 CA3에서 발생하는 입력신호를 가지고 CA1의 출력신호를 예측하는 방법을 배웠다.


 

When the team fed this “memory code” back into the participants’ hippocampi during recall, the effects were immediate. Those who received the electrical boost performed roughly 37 percent better than their normal baseline. In contrast, randomly zapping the hippocampus using the same frequency and strength as when directed by the algorithm didn’t work.


연구팀이 이렇게 해서 얻은 “기억 코드”를 상기 도중 자원자들의 해마에 입력하자 즉각적인 효과가 나타났다. 전기신호가 주입된 자원자들은 그렇지 않은 자원자들에 비해 정확도가 37% 증가했다. 하지만 알고리즘이 사용한 것과 똑 같은 주파수 및 강도를 가진 신호를 우발적으로 해마에 주입한 경우 효과가 전혀 없었다.


 

Longer Recall

더 오래 걸리는 상기과정

 


To see if the memory prosthesis also works on longer-term memories, the team repeated the test. This time, six participants were asked to select the original image from a set of three following a 15 to 75-minute wait.


해당 기억보철이 장기기억에도 효과가 있는지를 알아보기 위해 연구팀은 실험을 재개했다. 이번에는 자원자 6명에게 이미지를 하나 보여준 뒤 15~75분이 지난 후 이미지 3개를 보여주고 그 중에서 원래 봤던 이미지를 맞추도록 했다.


 

As before, stimulating the CA1 with the memory code boosted memory performance regardless of the delay by roughly 35 percent. The stimulation wasn’t equally effective in all tested patients, and on average, the benefits seemed to shrink after more than an hour’s worth of wait (although it could be an artifact due to small sample sizes).


그러자 지난 실험과 마찬가지로 기억코드로 CA1를 자극했을 경우 기억력이 약 35% 증가했다. 하지만 효과의 정도는 각 자원자들마다 달랐으며, 지연시간이 1시간이 넘어가면 기억 개선효과가 줄어들었다 (하지만 이는 작은 표본크기가 원인일 수도 있다).

 


“In one sense we were not surprised to find that this worked. We had a long history of animal studies in which we were testing this concept in other species—in animals in the laboratory—and we were having success,” said Hampson.


“솔직히 말씀드려서 그리 놀라운 일은 아닙니다. 이러한 실험은 실험실 동물을 대상으로 이미 오래 전부터 진행되어 왔으며, 여러 번 성공도 했기 때문이죠”라고 햄프슨은 말했다.

 


“What surprised us was how successful it was. Thirty-five percent improvement in memory is huge; and the results that we have compared to some other techniques indicate this is a very successful attempt to restore memory,” he explained.

“저희가 놀란 이유는 이 실험이 매우 성공적이었기 때문입니다. 35%의 기억력 개선은 매우 큰 수치이며, 다른 기술들과 비교해서도 기억력 복원에 매우 성공적인 결과를 보였습니다”라고 그는 설명했다.


 

Memory Way

기억의 경로


 

This pilot study is obviously small, but the authors stress that the observed benefits are consistent among the test group.

해당 연구는 매우 소규모로 이루어졌지만 저자들은 모든 실험집단에서 일관된 기억력 개선이 관찰되었다고 강조했다.

 


“The wide range of patient conditions that affected hippocampal function did not negate the ability of the MIMO model-based stimulation to enhance encoding and subsequent recall, even in patients previously classified as having memory deficits,” they said.


환자의 해마 기능에 영향을 끼쳤던 질병 요인이 매우 다양했음에도 불구하고, 다입다출 모델의 기억 부호화 및 차후 상기를 개선시키는 능력은 저해되지 않았습니다. 이는 사전에 기억장애를 가진 것으로 분류된 환자들에 대해서도 마찬가지였습니다.


 

That’s good news: even in a broken brain, as long as the hippocampal circuitry is functional, it’s possible to apply similar principles to develop other memory prostheses for people who suffer from memory loss.


이는 좋은 소식이다. 뇌에 문제가 있더라도 해마 경로만 제대로 작동하면 위에서 말한 것과 유사한 원리로 작동하는 기억보철을 만들어서 기억장애로 문제를 겪는 사람들에게 적용할 수 있다는 말이기 때문이다.


 

Right now, the technology only works in people with implanted electrodes, so it’s obviously not going mainstream anytime soon.

현재 해당 기술은 뇌에 전극을 이식한 사람들한테만 사용할 수 있으므로, 가까운 시일 내에 널리 보급될 가능성은 없다.


 

But the study is a powerful proof-of-concept that we’re inching closer to capturing, storing, and reliving our own memories—even those transformed into computer code.


그러나 해당 연구는 강력한 개념증명을 제공하며 우리 자신의 기억을 추출, 보관 및 재생할 수 있음을 보여준다. 심지어 컴퓨터 코드로 변환된 기억조차도 말이다.


 

“To date we’ve been trying to determine whether we can improve the memory skill people still have. In the future, we hope to be able to help people hold onto specific memories, such as where they live or what their grandkids look like, when their overall memory begins to fail,” Hampson said.


"최근까지 우리는 인간의 기존 기억력을 개선시킬 수 있는지 파악하기 위해 노력해왔습니다. 미래에는 전체적인 기억력이 저하된 사람들이라도 자신이 어디에 살고 있고 손자들의 얼굴이 어떻게 생겼는지에 대한 구체적인 기억들을 상기하는데 해당 기술이 도움을 줄 수 있을 것으로 기대합니다"라고 햄프슨은 말했다.
출처(ref.) : 조이 SF 클럽 - SF/과학 이야기 - 인간의 기억력을 약 40% 늘려주는 기억보철이 개발되다 - http://www.joysf.com/?mid=forum_sf&page=3&document_srl=4999732
by 헥사크론