KR101001296B1 - 3차원 신경회로망 구현장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 신경회로망 구현장치에 관한 것으로, 3차원 구조로 형성된 중앙 영역을 가지는 배양 기판; 및 상기 배양 기판의 중앙 영역상에 배치되어, 신경 세포가 3차원 구조로 배양되도록 하는 다수개의 미소 전극을 포함하여 구성되며, 이에 의하여 생명체의 신경 세포망과 유사한 병렬 연산 효율을 제공할 수 있게 된다.

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Description

3차원 신경회로망 구현장치{Apparatus for realizing 3 dimensional neuron network}

본 발명은 신경회로망 구현장치에 관한 것으로, 특히 생명체의 신경 세포망과 유사한 병렬 연산 효율을 제공할 수 있도록 하는 3차원 신경회로망 구현장치에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-072-03, 과제명: 인체통신 컨트롤러 SoC].

인간의 간단하고 당연시 되는 사고방식이나 행동은 수천억 개의 신경세포(neuron) 사이의 시냅스(synapse)를 통한 신경 세포망의 순수한 병렬 신호처리에 의해 순식간에 이루어진다.

그러나 기존 컴퓨터의 신호처리 방식은 신호처리 소자간의 수많은 직렬 신호처리에 의해 이루어지므로, 컴퓨터의 신호처리 방식을 통해 인간의 복잡한 사고방 식이나 행동에 연산을 구현하기에는 많은 무리가 있다.

두뇌의 병렬 신호처리 방식을 활용한 인공 신경망(artificial neural network)에서도 단위 소자간이 직렬로 연결된 구조를 가지기 때문에, 인간의 신경 세포망의 순수 병렬 신호처리 방식과는 차이가 있고, 정보처리속도 및 처리기능에 한계가 있다.

이에 생명체의 신경 세포망을 컴퓨터의 연산부분으로 활용하기 위한 연구로서, 신경 세포를 배양하여 신경 세포망을 형성하고 미소 전극 어레이를 통해 신경 회로망과 기계간의 송수신이 가능하도록 하는 두뇌-기계 인터페이스(BMI, brain-machine interface)에 관한 연구가 미국 및 유럽을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.

그러나 이와 같은 신경 회로망은 도1에 도시된 바와 같이 2차원적 평면 배양 기판을 통해 신경 세포를 배양함으로써, 신호의 효과적인 병렬 전달이 이루어지기가 어려웠다.

즉, 도1에서와 같이 평면적인 2차원 구조를 가지는 신경 회로망을 통해 3차원 구조를 가지는 생명체의 신경 세포망에서와 같은 병렬 연산 효율을 획득하기란 현실적으로 불가능한 문제가 있었다.

이에 본 발명에서는 신경 세포가 생명체의 신경 세포망과 같이 3차원 구조를 가지도록 하여 생명체의 신경 세포망과 유사한 병렬 연산 효율을 제공할 수 있도록 하는 3차원 신경회로망 구현장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 3차원 구조로 형성된 중앙 영역을 가지는 배양 기판; 및 상기 배양 기판의 중앙 영역상에 배치되어, 신경 세포가 3차원 구조로 배양되도록 하는 다수개의 미소 전극을 포함하는 3차원 신경회로망 구현장치를 제공한다.

상기 배양 기판은 중앙 영역이 반구형이거나 구형인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 배양 기판은 중앙 영역이 구형인 하나의 기판으로 구현되거나 중앙 영역이 반구형인 두 개의 기판을 마주보도록 결함시킴으로써 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 다수개의 미소 전극은 상기 배양 기판의 중앙 영역에 분산 배치되며, 상기 배양 기판의 중앙 영역의 전 영역에 걸쳐 일정한 배치 분포를 가지거나 상기 배양 기판의 중앙 영역 내에서, 영역별로 서로 상이한 배치 분포를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3차원 신경회로망 구현장치는 2차원 구조를 가지는 상기 배양 기판의 외곽 영역에 배치되어, 외부 기기가 연결되는 다수개의 외부 연결용 전극; 및 상기 다수개의 미소 전극 각각과 상기 다수개의 외부 연결용 전극 각각을 연결시켜주는 다수개의 전극간 연결선을 더 포함할 수 있다.

상기 외부 기기는 상기 외부 연결용 전극에 접촉하여, 상기 외부 연결용 전극, 상기 전극간 연결선 및 상기 미소 전극을 통해 상기 신경 세포에 전기적인 자극을 주거나 상기 신경 세포에서 발생하는 신호를 감지하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 본 발명의 3차원 신경회로망 구현장치는 3차원 구조를 가지는 배양 기판상에 미소 전극을 분산 배치하고, 미소 전극상에 신경 세포가 배양되도록 한다. 이에 신경 세포는 생명체의 신경 세포망와 유사한 배양 구조를 가지게 되어 생명체의 신경 세포망과 유사한 병렬 연산 효율을 제공할 수 있게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대 되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도2a 내지 도2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 신경회로망 구현장치의 구조를 도시한 도면이다.

도2a 내지 도2c를 참조하면, 3차원 신경회로망 구현장치는 중앙 영역이 반구형의 형태를 가지는 배양 기판(21), 배양 기판(21)의 중앙 영역에 분산 배치되는 다수개의 미소 전극(22), 외부 기기(미도시)와 연결되도록 배양 기판(21)의 외곽 영역에 일렬 배치되는 다수개의 외부 연결용 전극(23), 다수개의 미소 전극(22) 각각과 다수개의 외부 연결용 전극(23) 각각을 전기적으로 연결시켜주는 다수개의 전극간 연결선(24)로 구성되며, 신경 세포는 미소 전극(22)상에서 배양된다.

이와 같이, 본원 발명의 3차원 신경회로망 구현장치는 생명체의 신경 세포망와 유사한 형태를 가지도록 배양 기판(21)의 중앙 영역을 반구형 형태로 구현하고, 다수개의 미소 전극(22)을 배양 기판(21)의 중앙 영역에 분산 배치되도록 한다.

즉, 미소 전극(22)은 배양 기판(21)의 3차원 면상에 배치되어 3차원 구조를 가지게 되고, 미소 전극(22)상에 배양되는 신경 세포 또한 3차원 구조를 가지게 된다.

그 결과, 신경 세포망을 자극하고 기록하기 위한 외부 기기는 생명체의 신경 세포망와 유사하게 3차원 구조를 가지는 신경 세포에 전기적인 자극을 가하거나 신경 세포에 의해 발생되는 전기적 신호를 감지할 수 있어, 생명체의 실질적인 신경 세포망와 유사한 병렬 연산 효율을 획득할 수 있게 된다.

이때, 외부 기기는 외부 연결용 전극(23)에 접촉한 후, 외부 연결용 전극(23), 전극간 연결선(24) 및 미소 전극(22)을 통해 신경 세포에 전기적인 자극을 주거나 상기 신경 세포에서 발생하는 신호를 감지함으로써, 신경 세포망을 자극하고 기록해준다.

덧붙여, 도2a 내지 도2c의 전극간 연결선(24) 및 미소 전극(22)은 배양 기판(21)에 형성된 반구형의 외측면에 배치되나, 이는 필요한 경우, 배양 기판(21)에 형성된 반구형의 내측면에 배치되어 질 수도 있다.

도2a 내지 도2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 신경회로망 구현장치

도3a 내지 도3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 신경회로망 구현장치의 구조를 도시한 도면이다.

도3a 내지 도3b를 참조하면, 3차원 신경회로망 구현장치는 중앙 영역이 구형의 형태를 가지는 배양 기판(31), 배양 기판(31)의 중앙 영역에 분산 배치되는 다수개의 미소 전극(32), 외부 기기와 연결되도록 배양 기판(31)의 외곽 영역에 일렬 배치되는 다수개의 외부 연결용 전극(33), 다수개의 미소 전극(32) 각각과 다수개의 외부 연결용 전극(33) 각각을 전기적으로 연결시켜주는 다수개의 전극간 연결 선(34)로 구성되며, 신경 세포는 미소 전극(32)상에서 배양된다.

이때, 상기의 배양 기판(31)은 하나의 기판으로 구현될 수도 있고, 도2b에서와 같이 중앙 영역이 반구형의 형태를 가지는 두 개의 배양 기판(31-1, 31-2)을 마주보도록 결함시킴으로써 구현될 수도 있다.

즉, 도3a 내지 도3b의 3차원 신경회로망 구현장치도 생명체의 신경 세포망과 유사하게 배양 기판(31)을 3차원 구조로 구현하되, 도2a 내지 도2c의 3차원 신경회로망 구현장치에서와는 달리 구형으로 배양 기판(31)의 중앙 영역을 구형으로 구현해준다.

이에 도3a 내지 도3b의 3차원 신경회로망 구현장치는 도2a 내지 도2c의 3차원 신경회로망 구현장치에 비해, 보다 넓은 샘플링 범위와 보다 많은 미소 전극 개수를 제공하여 보다 큰 병렬 연산처리 능력을 제공해줄 수 있게 된다.

상기의 실시예들에서는 배양 기판의 중앙 영역이 반구형 또는 구형의 형태로 구현되는 경우에 한정하여 설명하였지만, 배양 기판의 구조는 신경 세포망의 적용 분야 또는 이용 목적에 따라 3차원 구조를 가지는 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론 당연하다.

또한 미소 전극의 분산 배치 방법도 신경 세포망의 적용 분야 또는 이용 목 적에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 미소 전극은 배양 기판(21)의 중앙 영역의 전 영역에 걸쳐 일정한 배치 분포를 가지거나, 영역별로 서로 상이한 배치 분포를 가질 수 있다.

이상에서와 같이 상세한 설명과 도면을 통해 본 발명의 실시예들을 개시하였다. 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부에 특허청구범위의 기술적 사항에 의해 정해져야 할 것이다.

도1은 종래의 기술에 따른 2차원 신경 세포망을 도시한 도면이다.

도2a 내지 도2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 신경회로망 구현장치의 구조를 도시한 도면이다.

도3a 내지 도3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 신경회로망 구현장치의 구조를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

21, 31: 배양 기판

22, 32: 미소 전극

23, 33 : 외부 연결용 전극

24, 34 : 전극간 연결선

Claims (11)

1. 3차원 구조로 형성된 중앙 영역을 가지는 배양 기판; 및

   상기 배양 기판의 중앙 영역상에 배치되어, 신경 세포가 3차원 구조로 배양되도록 하는 다수개의 미소 전극을 포함하는 3차원 신경회로망 구현장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 배양 기판은

   중앙 영역이 반구형인 것을 특징으로 하는 3차원 신경회로망 구현장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 배양 기판은

   중앙 영역이 구형인 것을 특징으로 하는 3차원 신경회로망 구현장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 배양 기판은

   중앙 영역이 구형인 하나의 기판으로 구현되는 것을 특징으로 하는 3차원 신경회로망 구현장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 배양 기판은

   중앙 영역이 반구형인 두 개의 기판을 마주보도록 결함시킴으로써 구현되는 것을 특징으로 하는 3차원 신경회로망 구현장치.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 다수개의 미소 전극은

   상기 배양 기판의 중앙 영역에 분산 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 신경회로망 구현장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 다수개의 미소 전극은

   상기 배양 기판의 중앙 영역의 전 영역에 걸쳐 일정한 배치 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 신경회로망 구현장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 다수개의 미소 전극은

   상기 배양 기판의 중앙 영역 내에서, 영역별로 서로 상이한 배치 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 3차원 신경회로망 구현장치.
9. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   2차원 구조를 가지는 상기 배양 기판의 외곽 영역에 배치되어, 외부 기기가 연결되는 다수개의 외부 연결용 전극; 및

   상기 다수개의 미소 전극 각각과 상기 다수개의 외부 연결용 전극 각각을 연결시켜주는 다수개의 전극간 연결선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 신경회로망 구현장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 외부 기기는

    상기 외부 연결용 전극에 접촉하여, 상기 외부 연결용 전극, 상기 전극간 연결선 및 상기 미소 전극을 통해 상기 신경 세포에 전기적인 자극을 주거나 상기 신경 세포에서 발생하는 신호를 감지하는 것을 특징으로 하는 3차원 신경회로망 구현장치.
11. 삭제

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