뇌와 똑같은 전기 회로 전자 뉴런 모델

신경세포는 전기 신호로 정보를 전달한다. 이 과정을 회로로 표현한 모형이 1952년 발표됐다.

막은 축전기다

세포막은 지질로 이루어져 전기를 통하지 않는다. 막을 사이에 두고 안팎에 전하가 쌓인다. 축전기와 같은 구조다.

막에는 이온이 드나드는 통로가 있다. 이 통로는 전기적으로 저항에 해당한다. 통로가 열리면 저항이 낮아져 이온이 흐른다.

안팎의 이온 농도 차이는 전지 역할을 한다. 나트륨은 밖에 많고 칼륨은 안에 많다. 이 차이가 이온을 특정 방향으로 밀어내는 힘이 된다.

축전기와 저항, 전지를 조합하면 세포막의 전기적 성질을 기술할 수 있다.

통로가 전압에 반응한다

핵심은 통로의 저항이 고정돼 있지 않다는 점이다.

막 전압이 특정 수준을 넘으면 나트륨 통로가 열린다. 나트륨이 안으로 들어오면 막 전압이 더 올라가고, 그러면 더 많은 통로가 열린다. 양의 되먹임이다. 전압이 급격히 치솟는다.

조금 뒤 나트륨 통로가 스스로 닫히고 칼륨 통로가 열린다. 칼륨이 밖으로 나가며 전압이 내려간다. 원래 상태로 돌아가는 과정이다.

이 한 차례의 변화가 활동전위다. 세포 하나가 보내는 신호의 단위다.

실험과 수식

호지킨과 헉슬리는 오징어의 거대 축삭을 이용해 이 과정을 측정했다. 이 세포는 굵어서 전극을 안에 넣을 수 있었다.

막 전압을 원하는 값에 고정하고 흐르는 전류를 재는 방법을 써서, 각 이온 통로의 거동을 따로 측정했다. 그 결과를 미분방정식으로 정리해 활동전위의 모양을 재현했다.

이 모형은 측정에서 출발해 수식을 세우고, 그 수식이 다시 측정 결과를 예측하는 구조를 갖췄다. 두 사람은 1963년 노벨 생리의학상을 받았다.

단순화된 모형

원래 모형은 변수가 많아 계산이 무겁다. 신경망 전체를 모의실험하려면 더 단순한 모형이 필요하다.

가장 단순한 형태는 전압이 일정 값에 도달하면 신호를 내고 초기화되는 방식이다. 통로의 거동을 생략하고 결과만 취한 것이다. 계산이 가볍고 대규모 회로에 쓰기 좋다.

둘 사이의 절충에 해당하는 모형들도 있다. 무엇을 알아보려는지에 따라 적절한 수준이 달라진다.

회로로 만들다

이 원리를 반도체 소자로 구현하려는 분야가 있다. 뉴로모픽 공학이라 한다.

일반적인 컴퓨터는 계산 장치와 기억 장치가 분리돼 있어 둘 사이에서 자료를 주고받는 데 많은 에너지가 든다. 신경계는 계산과 저장이 같은 자리에서 일어난다.

신호가 있을 때만 소비하는 방식도 다르다. 이런 구조를 흉내 낸 칩은 특정 작업에서 전력 소모가 크게 낮다는 결과가 보고됐다.

다만 기존 방식에 맞춰 개발된 알고리즘을 그대로 쓸 수 없다는 점이 걸림돌이다. 이 구조에 맞는 학습 방법을 찾는 연구가 함께 진행되고 있다.