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최근 수정 시각 : 2024-11-03 16:16:10

뇌/여담

🧠 뇌
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1. 개요2. 뇌가소성3. 수술4. 뇌 vs. CPU5. 기타

1. 개요

뇌에 대한 여담을 정리한 문서.

2. 뇌가소성

매우 드문 경우지만 뇌 중 일부가 손상되어도 기능 대상( 뇌가소성)이 일어나 다른 뇌의 일부가 손상되거나 없는 부분의 기능을 대신하여 일반인처럼 생활하는 사람들이 존재한다. 외국의 어떤 아이는 사고로 오른쪽 대뇌를 거의 잃었음에도 한동안 휠체어 신세를 진 것만 빼고 정상 생활을 하였으며 다른 나라의 한 소녀도 병으로 왼쪽 대뇌 대부분을 제거했는데 그럼에도 얼마 뒤 정상 생활을 하게 되었다.[1] 또한 뇌의 표피라 부를 만한 부분 이외에는 다 물만 차 있어 일반인의 1/5 미만의 뇌 크기를 가진 사람이 아무 문제 없이 생활하고 IQ 126[2] 으로 대학에서 우등생이 되는 사례도 있었다.(영국 명문대 셰필드 대학교 수학과) 나중에 병원에 갔다가 우연히 자신의 뇌 상태를 알았다고 한다.[3] 사이언스지에 실리기도 했는데, 우측은 원문이다. # 대뇌의 70%를 절제하였으나 멀쩡히 살아서 노래하는 경우도 있다.

물론 위 사례들만 가지고 뇌 손상을 입고도 일상생활을 할 수 있다고 생각하면 곤란하다. 위 사례들은 극히 특수한 경우이며 출처마저 불분명하다. 일반적으로 작은 영역이라도 뇌가 손상되면 마비나 온갖 인식 장애 및 이상한 행동을 보이게 되는 경우가 대부분이다. 예를 들어 왼쪽에 있는 물건은 인식하되 오른쪽에 있는 물건은 인식할 수 없다든가.

3. 수술


환자가 깨어있는 상태로 진행되는 뇌종양 ( 핍지교종 (Oligodendroglioma)) 절제술.[4]

일부 뇌 수술의 경우에는 전신 마취를 하지 않고 환자가 깨어 있는 상태에서 수술하기도 한다. 하지만 뇌 자체의 경우 감각을 담당하는 세포가 없으므로 만져도 고통을 느끼지 않기에 고통은 문제가 되지 않는다. 다만 두개골을 절개할 때의 통증, 그리고 심리적인 공포가 문제일 것이다.[5] 특이한 경우로 에디 에드콕이라는 뮤지션은 손떨림 증상을 치료하기 위해 뇌 수술을 받는 도중에 악기를 연주하기도 했고, 슬로베니아 출신의 한 테너는[6] 뇌종양 제거 수술을 받으면서 슈베르트의 겨울나그네를 부르기도 했다.[7]

물론 모든 뇌 수술이 이렇게 진행되는 것은 아니고, 맵핑[8]이 필요한 경우나 언어 / 운동 중추 등 중요한 부위의 종양 등을 최대한 정교하게 도려내면서 상태를 모니터링해야 할 때나 한다. 그리고 이러한 수술을 시행하더라도 머리를 열 때나 닫을 때는 당연히 전신 마취를 하고, 뇌의 일부분을 절제할 때만 마취를 약하게 해서 의식을 되돌리는 방법으로 집도한다.

4. 뇌 vs. CPU

우리의 뇌는 20와트로 초당 10~18개의 연산을 할 수 있습니다. 수치상으로 지금의 최고의 GPU보다 훨씬 더 낫습니다. 몇 십 만 배 뛰어나죠. 사람들은 저에게 더 낮은 비용과 전력으로 원자를 배열할 수는 없다고 말합니다. 물론 아직 누구도 인간의 뇌만큼 효율적인 컴퓨터를 만들지는 못했어요, 놀랍게도 우리 몸의 모든 세포는 공장을 가지고 있고, 복제를 해내고 있죠. 지금 우리가 기술적 문제를 겪고 있긴 하지만, 이런 인간 능력을 생각해보면 미래의 가능성의 문제는 없습니다. 저는 이러한 것들에 관심을 가지고 있고요.
짐 켈러 텐스토렌트 CEO, KBS와의 인터뷰
흔히들 컴퓨터의 CPU를 인간의 뇌에 비유한다. 그러나 CPU는 뇌의 기능 중에서도 연산 기능만을 수행하기에 완전한 1:1 비교는 힘들다. 상징적인 의미로 뇌라고 비유되는 것이지, 실제 뇌와는 기능이 다소 다르다. 뇌의 해마는 컴퓨터의 주기억장치( RAM)처럼 단기 기억을 리프레쉬 해주며, 시냅스 네트워크는 컴퓨터 보조저장장치( SSD, HDD 등)처럼 장기 기억을 가지고 있고, 그래픽 카드처럼 영상/음성 등 감각 처리부위나, CPU의 제어부(Control Unit) 같은 운동령 부분[9]이 각각있고 메인보드처럼 이들을 묶어주는 뇌량과 같은 데이터 버스가 있기 때문이다. 즉, 굳이 비유하자면 인간의 뇌는 컴퓨터의 많은 핵심 부품들을 하나로 묶은 패키지 AP, SoC 또는 MCU인 셈.

뇌는 포유류의 장기 중에서 산소와 포도당을 가장 많이 사용하듯이[10] CPU도 컴퓨터 부품 중에서 전력을 많이 먹는다.[11] 그게 i9나 서버용 CPU 같은 고급형이라면 더 많이 먹는다.

CPU의 폰 노이만 구조는 뇌가 돌아가는 걸 모방해서 만든 것이 아니다. 뇌가 작동하는 방식을 모방한 것은 CPU가 아니라 인공지능의 인공신경망 개념으로, 이미 수십 년 전에 등장했다. 하지만 CPU의 성능이 따라주지 못해서 인간이 하는 패턴인식의 수준에까지는 미치지 못했다. 그러나 CPU의 성능이 계속해서 발전하면서 뇌를 모방한 인공 지능을 실제로 하드웨어에서 구현할 수 있게 되었다. 그 과정에서 구글 딥마인드 챌린지에서 큰 화제를 모았던 알파고 등이 등장하게 된 것이다. 이런 과정을 세세하게 담기에는 어린이용 과학백과 학습만화 수준에서는 너무 방대하고, 어렵기 때문에 그냥 뭉뚱그려서 "점차 인간의 뇌에 접근하려 하는구나." 라고 설명하는 경우도 있다. EUREKA 시리즈 권 14 "컴퓨터란 무엇인가", 학원출판공사.

연산 속도를 비교하면 일반적으로 영장류 뇌의 처리 속도[12]는 초당 15[13] ~ 200[14]Hz 정도이며[15] 정도에 차이가 있지만 그래도 1kHz 이하로 추정된다. 반면 현재 일반적으로 쓰는 CPU의 작업 속도는 1 ~ 5GHz로 그 속도는 압도적으로 CPU가 빠르다.[16][17]

또한 CPU는 간단한 구조의 기계어를 사용하지만 뇌는 자연어 처리를 실시간으로 수행한다.

저장용량으로 가면 CPU가 더 불리해진다. 뇌는 연산과 저장을 동시에 수행하지만 CPU는 처리만 하지 정보를 저장하지는 못한다. 빠른 연산을 위한 소량 크기의 레지스터, 레지스터보다 크기가 크지만 여전히 작은 캐시 메모리나 edROM만이 존재할 뿐이다. 게다가 대다수 휘발성이어서 전원이 끊기면 완전 백지 상태로 돌아간다. 뇌는 의식을 잃어도 장기 기억이 뉴런의 시냅스 네트워크에 저장되어 있어 의식이 돌아오면 기억도 함께 돌아오는 것이 특징이다.

또한 CPU는 처리 속도가 높은 만큼 발열에 취약해진다.[18] CPU는 뇌와 다르게 CPU 쿨러라는 냉각 장치를 장착해야 하며 그렇지 않으면 작동한 후 얼마 지나지 않아 약 100도 이상의 발열이 발생하고 스스로 꺼지게 된다[19] 초창기의 CPU는 쿨러가 없어도 별 문제 없이 작동할 수 있었지만 CPU 성능이 진화되면서 발열도 함께 올라가게 되어 현재의 CPU들은 쿨러 장착이 필수적이다.

CPU와 뇌의 성능 비교가 아닌, 복잡도 비교의 관점에서는 다음과 같은 연구 결과가 있다. 예시로 스탠포드 대학 연구팀의 보고서에서는 높은 복잡도 때문에 현대 과학이 총동원 되어도 뇌의 모든 구조를 완벽히 파악하는 데엔 무리가 있다고 밝혔다. 각 시냅스는 마이크로프로세서(CPU)처럼 기능하는데 이들 가운데 수만 개는 하나의 뉴런(신경 단위)을 다른 신경 세포와 연결시켜 준다. 대뇌피질에서만 약 125조 개의 시냅스가 있는데 이는 전신의 체세포 수보다도 많은 것이다. 즉 클럭은 낮은데 125조 개나 되는 코어 물량빨로 승부하는 멀티코어 프로세서에 가깝다.[20] CPU의 경우 초 고사양 서버로 가야 100의 자릿수 코어를 쓰므로[21] 자릿수 자체가 넘사벽.

가령 2006년에 세계 최고의 슈퍼컴퓨터로 등극한 블루진/L은 8192개의 CPU로 280.6 테라 플롭스의 성능을 가지고 있지만 시뮬레이션에서 시냅스 3000개[22] 가량 있는 뉴런을 1만개[23] 시뮬레이션 하는데 그첬으며, 레이턴시는 무려 10배나 높아서 사실상 벌레만도 못한 수준이라고 봐야 한다.

파일:뇌 성능.jpg
과거 연구에 따르면 페타플롭스급이면 쥐와 맞먹는 수준을, 엑사플롭스 수준이면 인간과 맞먹는 수준으로 보았으나, 현재 엑사플롭스급 슈퍼컴퓨터가 등장하고 있지만 인간은 고사하고 쥐 수준의 자아를 가진 컴퓨터도 못 만들어 내고 있다. 또한 뇌는 위에 서술되어 있듯 대부분의 리소스를 생각보다는 감각처리[24], 운동제어[25]에 사용함으로, 실재 생각이나 창의력 같은 고도의 지적 활동에 필요한 연산량은 그보다 적게 필요할 수도 있다. 실제로 인공지능에게도 감각처리 및 운동제어가 지적 활동보다 어려운 일이란건 이미 1988년부터 알려진 사실이다. 모라벡의 역설이란 이름까지 붙어있다. 다만 현재 반도체 소자 기술의 발전을 생각하면 언젠가는 따라 잡힐 것으로 보인다.

상위 항목에서 나오듯 사실 사람 뇌는 뉴런과 뉴런 사이 회로도라고 할 수 있는 커넥톰은 커녕 뉴런 숫자도 연구마다 오락가락 하는 만큼 뇌 자체에 대한 자료가 부족해 사람의 뇌를 CPU나 컴퓨터로 구현하는 연구는 매우 더딘 편이다. 일단은 사람 뇌의 뉴런숫자를 1000억개, 시냅스는 1000조개로 가정하고 연구중이며, 2020년대에는 사람뇌의 1% 구현을 목표로 1억개의 트랜지스터를 직접한 전용 연산 프로세서 수만개를 넣은 슈퍼컴퓨터를 만들어서 시뮬레이션 하는 수준이다. 맨체스터 대학 연구

시냅스가 아니라 뉴런을 트랜지스터로 대응해도 2020년 기준으로 거대 칩들은 대다수가 100억개 이하의 트랜지스터를 가지고 있어서 이 숫자로도 밀린다. 다만 공정이 점점 정밀해지면서 2030년 전까진 1000억개의 트랜지스터를 가진 대형 칩[26]이 나올 가능성이 있다. 중추신경계의 뉴런 1개는 1000여개의 입력과 100여개의 출력을 가지며 출력부는 2진법이 아닌 최소 4진법의 신호를 가지고 있다 이를 다시 공간상수와 시간상수에 따른 내부 조율이 존재하며 EPSP와 IPSP에 따른 체계까지 존재한다. 그렇기에 트랜지스터 1개의 성능은 뉴런 1개보다 압도적으로 떨어져서 이보다 훨씬 더 많이 밀도가 올라야 1칩으로 뇌를 따라잡을 수 있을것이다.

그리고 뇌는 약 20W 정도의 에너지를 소비하지만[27] CPU는 모바일 AP는 2~3W 내외 개인용 컴퓨터 CPU는 40~80 W 내외 대형 서버류 CPU는 수백 W를 먹는다. 그래서 전성비 면에서도 상대가 안된다.[28]

하지만 CPU와 이를 사용하는 컴퓨터도 뇌에 비해서 장점이 많다.

반복되는 간단한 사칙연산이 뇌에 비해서 매우 빠르다. 당장 에니악처럼 80년대 손바닥 만한 계산기만도 못한 초기형 컴퓨터도 9만 7367의 5천 제곱 연산을 2시간만에 처리했는데 이는 수학자들 100명이 1년은 걸려야 연산할 수 있는 수준이였다. 그래서 초창기 컴퓨터 광고에서 유행한 문구가 수학자 XXX명이 AAA년 걸려 하는 일은 000컴퓨터는 X초만에 수행한다 였다.[29] 이보다 더 빠른 현대의 컴퓨터는 말할것도 없다.

파일:뇌 성능.png
그리고 컴퓨터는 이전에 저장 자료를 빠르고 정확하게 불러 올 수 있다. 기억 문서에서 나오듯 뇌는 추상화를 너무 심하게, 잘하기 때문에 정확한 기억은 아니고 그나마 잘 까먹기도 한다. 다시 말해서 정보의 무결성(Integrity)이 보장되기 어렵다.

그리고 뇌는 생성에만 10개월, 성장 및 교육에 못해도 18년[30]이라는 기간이 필요하고 그나마도 개체 차이가 심해서 표준화가 사실상 불가능 하지만 CPU나 컴퓨터의 부속 자재는 말 그대로 찍어내고 자료만 복사하면 끝이기 때문에 생산성 측면에서 상대가 되지 않는다.

또한 애초에 동물의 장기이기 때문에 신진대사에 필요한 식사 시간, 휴게 시간, 수면 시간[31] 등을 보장해줘야 하며, 가용 시간도 그리 길지 않다. 이 때문에 고대부터 있었던 인간 컴퓨터 직업이 현재는 기계식, 전자식 컴퓨터 같은 도구로 거의 대체 되었다.

파일:665938645d12d14548a43e5aa.jpg
현재 인간 컴퓨터는 군사 & 우주용 CPU 처럼 특수한 분야를 제외하면 거의 사장되었다.

5. 기타


[1] 불가능은 없다 p.146 김영사 [2] SD15 126은 상위 4~5프로 정도의 높은 수준이다. [3] 다만 당시 CT 성능이 21세기인 현재만큼 좋지 않았기 때문에 정말로 뇌가 수 mm만 남아 있었는지 검사 결과를 의심하는 학자들도 있다. [4] 참고로 이 영상의 주인공인 찰스 트리피(Charles Trippy)는 7년간 하루도 빠짐없이 본인의 일상을 다룬 비디오 블로그를 올린 인물로 기네스북에까지 올랐다. 브이로그란 단어가 나오기 훨씬 전부터 수년간 브이로그를 만들어온 셈. [5] 인간이 느끼는 공포나 통증은 단순한 엄살이 아니다. 그 자체로 생명이 위험해지는 경우도 있다! 통증이 심함에도 불구하고 부분 마취로 이루어지는 많은 수술의 경우 심박수를 항상 모니터하는데, 환자에 따라 통증이 심해질 경우 심박이 극단적으로 빨라지거나 느려지는 경우가 발생하고 이 경우엔 수술을 잠시 쉬어가거나 중단하게 된다. [6] 본명은 Ambrož Bajec-Lapajne이며, 2024년 3월 사망했다. [7] 2분 40초쯤에 혀가 꼬이면서 목소리를 제대로 내지 못하는 모습까지 볼 수 있다. [8] 뇌의 어느 부분이 무슨 일을 하는지 세밀하게 찾아가는 과정. 예컨대 어떤 부분을 전기로 자극했더니 환자가 말을 못하게 되면 브로카 영역 등으로 기록하는 식이다. [9] 생각보다 뇌에서는 몸 제어 부분이 생각 자체를 하는 부위보다 많다. 아니 거의 대다수를 차지하고 있다. [10] 그래서 공부를 하든 일을 하든 머리를 많이 썼을 때 더 빨리 배고파지는 것은 기분 탓이 절대 아니다. [11] 다만 그래픽 카드도 진화할수록 크기도 커지고 전력 소모량이 상승해서 CPU를 넘어서는 경우도 있다. 어느 쪽이든 안정적인 전원 공급이 중요하다는 사실은 변치 않는다. [12] 흥분정도에 따라 달라진다. 뇌파가 클럭의 기준이 된다면 0~ 250 Hz 정도이나 뇌파 문서에서 보듯 뇌파는 클럭보다는 잡음에 가깝다는 이론이 있을 정도로 정확하지 않다. [13] 어두운 환경에서 이미지 처리 [14] 밝은 환경에서 이미지 처리 [15] 앞서 말한 흥분 정도나 훈련여부에 따라 좀 더 늘어날 수도 있다. 미공군에서 시험한 결과 일부 전투조종사들은 512Hz의 이미지를 구분했으며 프로야구 타자들도 비슷하게 빠른 주사율의 이미지를 인지(처리)한바 있다. [16] 최초의 마이크로프로세서인 인텔 4004마저도 클럭 속도가 해도 740 KHz 인지라 역시 빠르다. [17] 그러니까, 뇌의 IPC가 어마무시하게 높은 것이다. [18] 뇌의 처리 속도가 고작 Hz 수준에 머물게 된 이유도 처리 속도가 올라갈수록 방열도 함께 올라가기 때문이다. 그리고 42도 이상만 되면 단백질이 변성되기 시작하므로 오랫되면 지속되면(약 14시간 이상) 말 그대로 뇌가 익어버린다. [19] 이를 'Thermal Throatling'라고 하며 CPU가 상당히 뜨거운 상태인 경우 손상을 방지하기 위해 스스로 성능을 낮추거나 정지시킨다. 다만 구형 CPU들은 이 보호 기능조차 없어서 온도가 너무 높아지면 아예 프로세서 자체가 타버리는 경우도 있다. [20] 물론 뇌의 각 부위별로 정해진 기능이 있기 때문에 특정한 정보처리나 연산에 뇌의 시냅스들을 전부 활용하지는 못한다. [21] 인텔 제온 시리즈, AMD EPYC 시리즈 등을 여러 개 탑재한 서버 [22] 일반적인 뇌는 5000개에서 최대 10000개 까지도 있다. [23] 참고로 장수말벌이나 누에나방 같은 대형 곤충류만 해도 10만개가 넘는 뉴런을 가지고 있다. [24] 사람 뇌의 경우 거의 시각처리에 대부분의 리소스를 사용한다. [25] 뉴런은 대뇌 보다 오히려 몸의 운동을 제어하는 소뇌에 더 많다. [26] 커스텀 칩중에서는 1000억개급 트랜지스터를 가진 연산칩이 2021년에 등장하기도 했다. [27] 그래도 신체 에너지의 5분의 1을 뇌에서 소비한다. 여러가지 사고 혹은 연산 작업 탓에 사람의 뇌나 컴퓨터의 프로세서나 전체 시스템에서 전원이 제일 많이 들어간다. 다만 인간을 비롯한 다른 동물은 전체 열량을 여전히 뇌보다는 다른 장기, 근골격에서 더 소비하고 있다. [28] 여기에 램이나 보조 저장장치, GPU등을 포함하면 컴퓨터의 에너지 소비량은 뇌에 비해 넘사벽으로 높아진다. [29] 물론 진짜 수학자 수 백명이 수 십년 동안 참여하는 프로젝트는 컴퓨터가 하는 단순한 반복 연산이 아니라 더 복잡한 수학이론 증명 등 할 수 있는 일이 더 많다. [30] 사람 기준 [31] 영화 히든 피겨스에 비슷한 일화가 나와 있다. 주인공인 NASA의 인간 컴퓨터는, 흑인 여성 화장실이 사무실에서 20분 거리에 떨어져 있어 화장실에 가는 행위에만 많은 시간을 소모하게 된다. 이후는 문서 참고. [32] 전두엽은 성격, 특히 인성에 영향을 준다. [33] 뉴런을 지지하고, 영양 등을 공급하는 세포. 한마디로 뉴런의 보조 역할을 하는 세포다. [34] 사실 이론상으로는 더 길지만 뇌 손상 같은 것들이 없을 때 이야기이고 대체로 나이를 먹으면 점점 죽어가기 시작한다. [35] "서울대생 체력 또래에 크게 뒤져", 2006년 7월 12일, 연합뉴스

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