썰린 뇌 사진 33장으로
3D 뇌를 다시 붙여 보기

한림대 AI·SW Week "AI Brain Art Challenge" 출품 준비 과정이에요. 뇌과학을 몰라도 읽을 수 있게 처음부터 차근차근 적었어요.

1단계

받은 재료: 한 사람의 뇌를 찍은 자료

대회에서 한 사람의 뇌를 MRI 기계로 찍은 자료를 줬어요. 크게 두 가지예요.

머리를 가로로 자른 흑백 MRI 사진① 머리를 얇게 자른 사진 (흑백)
같은 사진에서 뇌 겉면을 20개 구역으로 색칠한 것같은 사진에서 뇌 겉면을 20개 구역으로 색칠한 것
② 20개 구역이 얼마나 바빴는지 200번 잰 기록

①은 뇌의 모양이에요. 식빵을 썰 듯 머리를 얇게 잘라 찍은 사진이 33장 있어요.

②는 뇌의 움직임이에요. 기계 안에 누워 있는 동안 20개 구역에 피가 얼마나 몰렸는지(= 얼마나 일했는지) 기록한 거예요. 위 그래프의 흐린 선 20개가 20개 구역 각각의 기록이고, 그중 두 구역을 진하게 표시했어요(빨강: 앞쪽 '계획' 구역, 분홍: 뒤쪽 '보기' 구역). 구역마다 오르내리는 박자가 다른 게 보여요.

색칠은 구역을 나누는 이름표일 뿐이고, 뇌파(전기)를 잰 것도 아니에요.

2단계

문제: 사진 사이가 비어 있어요

사진 33장은 머리 전체를 다 찍은 게 아니라 1cm마다 한 장씩만 있어요. 그 사이 9mm는 아무 정보가 없어요.

????? 사진빈칸 9mm 회색 = 받은 사진 · 노란 점선 = 정보가 없는 빈칸
왜 1cm이고, 왜 문제가 되나

· 사진 파일 번호가 041, 051, 061…처럼 10칸씩 건너뛰어요. 이 자료는 1칸 = 1mm인 표준 뇌 MRI 형식(FreeSurfer)으로 만들어져서, 10칸 = 약 1cm예요.

· 대회에서 함께 준 '구역별 피질 두께' 자료를 보면, 뇌 겉면(피질) 두께가 구역마다 1.8~3.2mm예요. 띠 두께보다 빈칸이 3배 이상 넓으니, 빈칸 안에서 띠가 어디로 휘었는지는 사진만으로는 알 수 없어요.

그래서 3D 뇌를 만들려면 이 빈칸을 무언가가 상상해서 채워야 해요. 그런데 뇌 겉면의 주름은 두께가 2~3mm밖에 안 돼서, 1cm 사이에서 주름이 어디로 휘었는지 정확히 알 방법은 없어요. 목표는 "똑같이"가 아니라 "최대한 그럴듯하게"예요.

3단계

빈칸을 채우는 세 가지 방법

① 옛 방식: 자로 잇기

위 사진과 아래 사진의 모양을 직선으로 이어서 중간을 그려요. 수십 년 된 방법이에요.

주름이 휘는 곳에선 위아래가 안 맞아서 끊기고 구멍이 나요.

② 우리 신경망

작은 인공지능에게 "이 3D 위치는 몇 번 구역이야?"를 사진 33장으로 직접 가르쳤어요. 다 배우면 빈칸도 답해요.

2022년 기술(해시 인코딩)이에요. 노트북에서 5분이면 배워요.

③ 생성 AI

수많은 뇌 MRI로 미리 학습한 AI(하버드 의대·MIT 연구팀의 SynthSR·SynthSeg)에게 맡겼어요. "사람 뇌라면 여기가 이렇게 생겼겠지"를 알고 채워요.

구글 Colab(무료 클라우드 컴퓨터)에서 돌렸어요.

왜 하필 이 세 가지인가

· ①은 기준선이에요. 새 방법이 정말 나은지 알려면 가장 단순한 방법과 같은 조건에서 비교해야 해요.

· ②는 "이 사람 자료만으로 어디까지 되나"를 보는 방법이에요. 남의 뇌 자료 없이, 받은 사진만으로 학습해요. 2022년에 나온 빠른 3D 학습 기술(Instant-NGP의 해시 인코딩)을 썼어요.

· ③은 "사람 뇌에 대한 일반 지식이 도움이 되나"를 보는 방법이에요. SynthSR은 바로 이런 경우, 즉 두꺼운 간격으로 찍힌 MRI를 1mm 촘촘한 3D로 바꾸려고 만든 공개 도구예요(논문: Science Advances, 2023).

4단계

누가 제일 잘 채웠나: 시험을 봤어요

공정하게 재려고 문제를 숨기고 채점했어요.

1. 세 방법 모두에게 가로로 자른 사진 16장만 줬어요.

2. 그걸로 3D 뇌를 만들게 했어요.

3. 한 번도 안 보여 준 세로로 자른 진짜 사진 15장과 비교했어요. 채점은 두 가지로 했어요: 뇌 겉면 주름 띠가 얼마나 겹치나(피질 겹침), 그리고 겹친 곳의 구역 색까지 맞았나(구역까지 맞힘, 더 엄격).

왜 이렇게 시험했나

· 채점하려면 정답이 있는 곳이 필요해요. 빈칸에는 정답이 없으니, 실제로 찍힌 세로 사진을 정답으로 남겨 뒀어요. 세로 사진은 가로 사진의 빈칸을 가로질러 지나가서, 빈칸을 얼마나 잘 채웠는지 바로 보여 줘요.

· '피질 겹침'은 의료 영상에서 두 모양이 얼마나 겹치나를 잴 때 가장 널리 쓰는 점수(Dice 계수)예요. 0%는 하나도 안 겹침, 100%는 완전히 같음이에요.

· 세 방법이 받은 재료(가로 16장)와 채점하는 정답(세로 15장)이 모두 같아요.

방법 (세로 15장 평균)피질 겹침구역까지 맞힘
① 옛 방식 52% 34%
② 우리 신경망 51% 32%
③ 생성 AI 63% 43%

생성 AI는 뇌 모양만 그려 주고 우리 20개 구역은 몰라요. 그래서 구역 번호는 가로 사진에서 3D로 가장 가까운 곳의 구역을 따랐어요. 두 시험 모두 생성 AI가 1등이에요.

63%면 잘한 건가요? 주름 띠가 워낙 얇아서 조금만 어긋나도 점수가 확 떨어져요. 감을 잡으려고 정답 자체를 옆으로 밀어 봤어요.

정답을 이만큼 밀면겹친 정도
1mm81%
2mm64% ← 생성 AI가 이 정도
3mm52% ← 옛 방식·신경망이 이 정도
1cm 옆의 진짜 사진을 그대로 베끼면39%

즉 생성 AI는 본 적 없는 빈칸을 평균 2mm 정도 오차로 채웠어요. 그냥 옆 사진을 베끼는 것(39%)보다 훨씬 나아요.

세로 사진 한 장에서 진짜, 생성 AI가 그린 사진, 세 방법의 주름 띠 비교세로 사진 한 장(121번)에서 비교 · 맞힘놓침없는데 있다고 함

위 가운데 "생성 AI가 그린 사진"은 AI가 한 번도 본 적 없는 방향의 단면을 직접 그려 낸 거예요. 흐릿하지만 뇌 모양, 주름, 가운데 빈 공간까지 진짜 사진과 닮았어요.

5단계

그래서 나온 3D 뇌

네 가지 결과를 같은 기준(뇌 겉면 주름 띠만)으로 나란히 돌려 볼 수 있어요. 오른쪽으로 갈수록 빈칸이 잘 채워져서 구멍이 줄어요.

작품에는 왜 생성 AI 결과를, 왜 속을 채워서 쓰나

· 두 시험에서 모두 가장 잘 맞혔기 때문이에요.

· 비교할 때는 공정하게 넷 다 피질 띠만 그렸어요. 작품에서는 속(백질)까지 채운 겉면을 써요. 밖에서 보이는 건 어차피 겉면이라 속은 안 보이고, 채워야 구멍 없는 진짜 뇌처럼 보여요.

· 구역 색은 이 사람의 실제 구역 자료를 따라요.

6단계

200번의 기록을 '뇌 상태' 4가지로 나누기

작품이 같은 장면만 반복하면 지루해요. 그래서 AI에게 200번의 기록을 비슷한 순간끼리 묶어 달라고 했어요(k-평균 묶기). 한 순간 = 20개 구역의 밝기 20개 숫자예요.

AI가 찾은 상태나온 횟수특징
평소의 뇌77번몸 느낌·집중 구역이 조금 깨어 있음
바쁜 뇌53번소리·알아보기·집중 구역이 함께 켜짐
보고 느끼는 뇌40번시각·몸감각 구역이 앞장섬
쉬는 뇌30번거의 모든 구역이 가라앉음
왜 4가지인가

· 2~8가지로 하나씩 나눠 보고 나뉨 점수(실루엣 점수: 같은 묶음끼리 가깝고 다른 묶음과 멀수록 높음, 1이 완벽)를 쟀어요.

· 2가지 0.21, 3가지 0.19, 4가지 0.19, 5가지 0.18, 6가지 0.19. 2가지가 가장 높지만 '바쁨/조용함'뿐이라 장면이 단조로워요. 3가지 이상에서는 4가지가 가장 높아요(6가지와는 근소한 차이).

· 아주 짧게(8번 미만) 스친 상태는 더 닮은 앞뒤 상태에 합쳐서, 작품의 '장'이 13번 바뀌게 했어요. 장이 바뀌면 카메라·배경색·배경 화음이 함께 바뀌어요.

솔직하게

한계

· 빈칸의 세밀한 주름은 AI의 추측이에요. 평균 2mm쯤 어긋나요. 그래서 멀리서 보면 진짜 같고, 주름 하나하나는 정확하지 않아요.

· 구역 색까지 맞히는 엄격한 시험에선 가장 잘한 생성 AI도 43%예요. 구역 경계는 사진 사이에서 특히 맞히기 어려워요.

· 시험은 한 사람, 한 방향(세로 15장)으로만 했어요. 다른 사람 자료로는 확인하지 않았어요.

· 뇌 상태 나뉨 점수 0.19는 경계가 또렷하지 않다는 뜻이에요. 뇌가 네 모드를 딱딱 오가는 게 아니라, 이어진 움직임을 4가지로 묶어 본 거예요. 그래서 작품에서도 장이 툭 끊기지 않고 3초에 걸쳐 넘어가요.

다음

작품

사진 33장이 날아와 뇌가 되고(15초), 유리 같은 뇌 안에서 20개 구역이 실제 기록대로 빛나고 소리가 나요(1분 20초). 뇌 상태가 바뀌면 색과 화음이 바뀌고, 여러 구역이 한꺼번에 깨어나는 순간엔 카메라가 다가가요. 뇌를 누르면 그 구역 소리를 들을 수 있어요. 끝나면 본편부터 계속 반복해요.

출처

참고한 자료