미래기술/미래전망/첨단산업

NTT 기술저널_2018.1 특집 요약(p8~13)

스포츠 뇌과학
스포츠 뇌과학 프로젝트
선수들의 뇌 기능을 분석해 실력 강화
가시노 마사오(柏野 牧夫) NTT 커뮤니케이션 과학기초 연구소

스포츠 시합에서는 상황 파악과 상대와의 신경전, 긴장감 속에서도 신속하게 의사를 결정하는 등, 선수들의 다양한 뇌 기능이 승부의 열쇠를 쥐고 있다. 또한 그 대부분은 선수 자신도 자각하지 못하는 ‘잠재적’인 뇌 기능이다. 2017년 1월에 발족한 NTT 스포츠 뇌과학 프로젝트에서는 최고 선수의 우수한 잠재적 뇌 기능을 분석해 승리의 원인을 특정. 그것을 바탕으로 실제 선수들의 실력 향상을 지원해나가는 것을 목표로 연구를 추진하고 있다.

-- 스포츠에서의 뇌 기능의 중요성 --
우수한 스포츠 선수에게 필요한 것은 무엇일까? 운동 신경이나 심폐 기능 등이 뛰어난 강인한 육체, 힘을 효율적으로 조절해 부상 위험을 최소화하는 적절한 동작. 이러한 신체적 요소의 중요성은 누구나 알고 있다. 하지만 선수의 레벨이 높아질수록 그것만으로는 충분하지 않다. 시합의 상황을 파악해 전략을 세우고 신속하게 의사를 결정하는 능력. 상대의 거동을 통해 다음 상황을 예측하고 그보다 먼저 대처하는 능력. 상대의 예측을 교란해 상대를 조종하는 능력. 신속하고 격렬한 움직임 속에도 임기응변으로 동작을 조절하는 능력. 승부의 강렬한 긴장감 속에서도 실력을 충분히 발휘할 수 있는 능력. 이러한 능력들은 모두 뇌가 가진 고도의 정보 처리 기능 없이는 실현될 수 없다. 일류 선수들은 모두 이러한 뇌 기능이 특별히 우수하다고 할 수 있을 것이다.

기존의 스포츠 과학, 또는 이를 토대로 한 트레이닝 방법은 신체적 측면에서는 상당한 데이터가 축적되어 있지만, 스포츠에서의 뇌 기능 측면에 대해서는 세계적으로도 아직 알려져 있지 않고 있다. 이러한 배경 아래 NTT는 2017년 1월에 조직 횡단적 연구 조직인 ‘스포츠 뇌 과학 프로젝트(SBP: Sports Brain Science Project)를 발족했다. SBP의 목적은 일류 스포츠선수들의 우수한 능력을 뒷받침하는 뇌 기능을 분석하는 것. 또한 그 과학적 지식을 토대로 실제 선수들의 능력 향상을 지원하는 것이다. 발족 후 약 1년, 야구와 소프트볼을 중심으로 최고 수준의 선수들과 팀의 협력을 받아 순조롭게 프로젝트를 시작할 수 있었다. 여기서는 SBP의 기본적인 개념과 연구 방침을 소개해나가겠다.

-- 잠재적 뇌 기능 분석 --
구기나 격투기와 같은 사람을 상대하는 스포츠에서는 매시간 상황 파악 및 의사 결정, 예측 및 움직임 조절 등에 허락되는 시간은 0.몇 초로 아주 짧다. 이러한 것들은 뇌 안에서 일어나고 있는 것을 본인이 자각하거나, 의식적으로 컨트롤할 수 있는 것이 아니다. 필연적으로 사람을 상대로 하는 스포츠에서 중요한 뇌 기능은 그 상당 부분이 무의식적인 것이라고 할 수 있다. 본인은 ‘몸이 저절로 반응했다’라고 느껴질 것이다. 하지만 모든 사람이 가진 조건 반사 같은 단순한 것과는 달리, 상대방이나 대상물(공 등)의 움직임과 그것에 대처하는 몸의 움직임을 오랜 시간 학습해야 가능한 것이다. 이와 같은 무의식적이면서 복잡한 행동을 좌우하는 뇌 정보 처리를 우리들은 ‘잠재적 뇌 기능(Implicit Brain Function)’이라고 명명, 스포츠 연구를 추진하기 전부터 오랜 기간 지속적으로 연구해왔다. SBP의 첫 번째 연구 목적은 스포츠 능력을 좌우하는 잠재적 뇌기능의 각 요소가 우수한 선수와 그렇지 못한 선수를 비교해 어떻게 다른지를 명확히 밝히는 것이다.

하지만 잠재적 뇌 기능은 말 그대로 본인도 자각하지 못하는 것이기 때문에 우수한 선수에게 말로 물어본다고 해도 그 진실을 알 수 없다. 어떤 기술에 뛰어난 사람이라도 자신이 어떻게 하고 있고 어떤 이유로 그것을 할 수 있는지를 명확하게 말로 표현할 수 있는 사람은 드물다. 만약 그것이 가능하다고 해도, 그것은 실제 일어나고 있는 것에 대한 것이 아닌, 결과론적인 후기라고 말할 수 있을 것이다. 이와 같은 것은 기술에 대한 코칭을 어렵게 하는 하나의 원인이 된다. 그렇기 때문에 우수한 선수들이 반드시 좋은 코치가 된다고는 할 수 없다.

SBP에서는 NTT연구소에서 개발해온 ‘Body-mind reading’이라고 하는 기술을 이용해 선수의 잠재적 뇌 기능 분석을 시도하고 있다. 이 기술의 제 1단계는 운동 중에 신체 각 부위의 움직임과 각종 생체 신호를 측정하는 것. 이 때 중요한 것은 되도록 시합에 가까운 리얼한 상황을 재현해 선수의 본래 능력을 최대한 방해하지 않는 상태에서 측정하는 것. 신체의 움직임은 복수의 카메라로 기록하거나, 웨어러블 센서를 이용해 수치화한다. 생체 신호는 뇌파, 심전위∙심박∙호흡∙근전위 등으로, 웨어러블 센서로 측정한다. 또한 고글형 아이 카메라로 안구 운동도 측정한다.

제 2단계는 이러한 측정으로 얻은 각종 데이터를 통해 선수의 신체 움직임과 뇌 정보 처리 내용에 관한 본질적인 정보를 알아내는 것이다. 뇌 정보 처리에 대한 정보를 얻기 위해 반드시 뇌 활동 자체를 측정해야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 안구의 움직임(시선의 방향, Microsaccade(미세홱보기운동) 라고 하는 미세한 안구 운동, 동공 지름의 변화 등)은 뇌 안의 상태(예측하지 못한 것에 대한 놀라움, 주의를 기울이는 곳과 그 정도, 정보 처리의 부담 등)를 반영해 변화한다. 그렇기 때문에 안구의 움직임을 분석한다면 당시의 뇌 안의 상태를 어느 정도 추측할 수 있다. 마찬가지로 심박수와 호흡의 변화, 신체 각 부위의 움직임 등을 통해서도 그 배후에 있는 뇌의 기능에 관한 정보를 알 수 있다. 이러한 분석에는 영상 처리, 생체 신호 처리, 기계학습 등, NTT의 AI ‘Corevo’의 다양한 기술이 투입되고 있다. 이와 같은 분석 기술의 총체가 Body-mind reading이고, SBP만의 강력한 무기라고 할 수 있다.

-- 4종류의 실험환경 --
스포츠의 본질을 파악한 실험을 시행하기 위해서는 그것에 적합한 실험 환경이 필요하다. SBP에서는 크게 4종류로 나눠 연구목적에 따른 실험 환경을 구분해서 하고 있다.

▶ 실전
; 제1의 실험환경은 실제 시합이다. 정식 경기에서만의 긴장감을 실현할 필요가 있기 때문이다. SBP에서는 야구 시합에서 심박수 및 가속도를 파악할 웨어러블 센서를 선수의 유니폼 아래에 장착하여 정신적인 요인이 퍼포먼스에 미치는 영향을 분석하고 있다. 그러나 실제의 시합은 문자 그대로 리얼한 반면, 우발적인 것이나 특정할 수 없는 다수의 요인이 복잡하게 얽혀있어 실험자가 모든 것을 통제하기란 불가능하다.

▶ 스마트 불펜
스포츠로서의 본질을 잃지 않게 하기 위해 그 일부만을 잘라내어 통제된 실험을 시행하도록 한 것이 제2의 실험환경인 ‘스마트 불펜’이다. 이것은 야구의 실내 연습장과 같은 공간에 복수의 카메라 및 각종 계측정치가 갖춰진 실험시설이다. 스마트 불펜에서는 경합 중의 투수와 타자의 각자의 신체의 움직임 및 생체신호를 동시에 측정할 수 있으며 볼의 움직임(속도, 회전 수, 궤도 등)도 전용 레이더를 통해 동시 기록이 가능하다.

▶ VR
제3의 실험환경은 VR(가상 현실)이다. NTT에서는 투수의 폼이나 볼의 궤도를 타자의 시선에서 3차원적으로 체험할 수 있는 VR 시스템을 개발하고 있다. 이것을 이용하면 스마트 불펜과 같이 실제 환경에서는 기술적 또는 논리적으로 불가능한 실험 조건을 만들어 낼 수 있다.

▶ 인지 뇌과학 실험실
제4의 실험 환경은 미래형 인지 뇌 과학 실험실이다. 그곳에서는 상세하게 설계된 시각, 청각, 역각(力覚) 등의 자극을 제시하거나 팔이나 안구의 응답 및 뇌 활동 등을 정확하게 측정할 수 있다. 특정한 요인을 분석하여 상세하게 해석하는 기초적인 실험에 적합하다.

-- 잠재 뇌 기능의 조절 --

-- 향후의 전개 --
SBP에서는 선수의 잠재 뇌 기능의 해명과 퍼포먼스 향상이라는 2가지 목적을 동시에 이룰 수 있게 하는 것을 기본 방침으로 하고 있다. 실험실에서의 기초연구와 현장의 선수 강화에 있어서는 상당한 격차가 있다는 것은 이미 알고 있는 사실이다. 그 격차를 극복하기 위해 우리는 최고 레벨의 선수 및 팀과 협력하여 현장의 실제 문제의식을 파악하고 거기에서부터 기초 연구의 핵심을 찾기 위해 깊게 파고드는 식의 대응을 하고 있다. 이에 따라 연구를 위한 연구가 아닌 선수 중심의 연구가 가능해 질 것이라고 생각한다. 안이한 개입으로 선수에게 나쁜 영향을 주는 것은 반듯이 피하지 않으면 안 된다. 과학적 근거를 토대로 한 개입을 시행하기 위해서는 수많은 양질의 데이터가 필요하며 이를 위해서는 선수와의 협력 관계가 없어서는 안 된다.

SBP의 연구가 진행되면, 뇌의 특성에 관한 과학적 근거를 기반으로 승리하기 위한 방법론이 체계화된다. 그 속에는 지금까지의 지식과는 다른 것이 포함되어 있을지도 모른다. 선수는 스마트 불펜과 같은 시설 안에서 평소에는 깨닫지 못한 부분까지 자신의 상태를 파악하여 개선점을 찾아내는 것이 가능하다. 컨디션 변화 및 고장의 예후도 알 수 있게 될 것이다. 다수의 선수 데이터가 축적된다면 개인의 타입 및 적성, 레벨 등을 진단할 수 있게 된다. 그것을 통해 개인∙상태에 따른 코칭 및 재능의 조기발견 등도 가능해 질 전망이다.

SBP에서는 현재는 대상 경기를 야구와 소프트볼을 중점으로 하고 있으나, 이로 인해 얻은 지식은 본질적으로 다른 경기에서도 전개할 수 있을 것으로 보고 있다. 또한 대상 레벨도 지금은 프로야구 및 소프트볼의 일본 대표와 같은 최고 레벨로 한정되어 있지만, 앞으로는 주니어부터 일반 운동 애호가, 나아가서는 고령자에 이르기까지 폭 넓은 층으로 확대해 나갈 방침이다.

 -- 끝 --