| 학석연계과정 김민석 (지도교수 신효근), Biosensors and Bioelectronics (IF 10.7, JCR 상위 2.4%) 논문 게재 | |||||
| 작성자 | 관리자 | 작성일 | 2025-06-18 | 조회수 | 773 |
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 경북대학교 전자공학부 신경생체전자 연구실(Neural Bioelectronics Lab) 소속 학석연계과정 김민석 학생(지도교수 신효근)이 제1저자로 참여한 연구 논문이 국제학술지 Biosensors and Bioelectronics (IF 10.7, JCR 상위 2.4%)에 게재되었다. 본 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 이주현 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 수행되었으며, 김민석 학생은 2024년 3월 본 연구실에 소속되어 현재 학사 7학기를 이수 중이다. 최근 인공지능(AI)은 자율주행, 음성 인식, 개인화 추천 시스템 등 실생활 전반에 활용될 만큼 비약적인 발전을 이루었으나, 막대한 연산량과 에너지 소모라는 한계에 직면해 있다. 특히, 딥러닝 모델의 학습 및 추론에는 막대한 전력이 소모되며, 이는 환경적·경제적 부담으로 작용하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 대안으로, 생물학적 뉴런을 활용한 바이오컴퓨터가 주목받고 있다. 실제로 인간 뇌 유래 뉴런 기반의 바이오컴퓨팅 시스템은 기존 AI 시스템 대비 약 100만분의 1 수준의 전력으로 작동하면서도, 10배 이상의 학습 효율을 보이는 등 뛰어난 연산 효율을 입증하고 있다. 바이오컴퓨터의 성능은 뉴런의 수와 시냅스 연결 밀도에 따라 결정되며, 따라서 더 많은 뇌세포를 포함하고 더 복잡한 연결망을 형성하는 것이 곧 계산 성능 향상으로 직결된다. 이러한 측면에서 3차원 배양 구조를 갖는 뇌 오가노이드(brain organoid)는 기존 2차원 배양세포보다 훨씬 우수한 대안으로 평가된다. 뇌 오가노이드는 입체적인 공간 내에서 신경세포들이 고밀도 신경망을 형성하여 고성능 바이오컴퓨팅 플랫폼으로서의 큰 주목을 받고 있다. 하지만, 오가노이드의 크기를 키워 뉴런 수를 늘리면 내부로의 산소 및 영양분 확산이 제한되어 중심부 세포가 괴사하게 되고, 이로 인해 전체적인 신경망 구조가 붕괴되면서 시스템 성능이 저하되는 문제가 발생한다. 본 연구는 이러한 한계를 극복하고자, 작고 균일한 크기의 뇌 오가노이드를 다층 구조로 수직 적층하는 3차원 패키징 기술을 새롭게 개발하였다. 이 기술은 반도체 분야에서 최근 각광받고 있는 고대역폭 메모리(High Bandwidth Memory, HBM) 구조에서 영감을 받아 설계되었으며, 오가노이드를 수직 방향으로 정렬함으로써 구조적 밀도를 극대화하고, 동시에 각 층의 세포 생존성과 기능적 연결성을 유지할 수 있도록 한다. 해당 기술을 적용한 3D 오가노이드 어레이는 층간 연결성이 뛰어나고, 산소와 영양분의 공급도 원활하여 장기 배양이 가능하며, 이에 따라 더욱 성숙하고 동기화된 신경 활동이 유도됨을 전기생리학적 실험을 통해 입증하였다. 기존의 단일 오가노이드 또는 2차원 배열 대비 훨씬 향상된 기능적 연결성과 복잡한 신경 네트워크 특성이 관찰되었으며, 이러한 특징은 고성능 바이오컴퓨팅 시스템의 기반이 되는 핵심 기술로 작용할 것으로 기대된다. 이번 연구는 “A scalable 3D packaging technique for brain organoid arrays toward high-capacity bioprocessors”라는 제목으로 게재되었으며, 오가노이드 기반 컴퓨팅 기술의 구조적·기능적 한계를 효과적으로 극복할 수 있는 새로운 솔루션을 제시했다는 점에서 높은 평가를 받았다. 연구팀은 앞으로 본 기술을 기반으로, 오가노이드 기반 인공지능 연산 플랫폼 개발, 약물 반응 분석 모델링, 뇌 질환 연구 등 다양한 분야로의 응용 가능성을 확대해나갈 계획이다. 논문링크 신경생체전자 연구실 홈페이지 신경생체전자 연구실 공식 유튜브 채널 |
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