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일경사이언스_2019/11_BMI로 확장되는 신체
  • 저자 : 日経BP社
  • 발행일 : 20191101
  • 페이지수/크기 : 116page/28cm

요약

Nikkei Science_2019.11 특집 요약 (p58~63)

신경과학 “The Intention Machine”
BMI로 확장되는 신체
의도를 헤아려 움직이는 머신
Richard Andersen / 캘리포니아 공과대학 교수

[ Key concepts ]
로봇 의지(義肢)의 빠른 제어가 가능
▶ 브레인 머신 인터페이스(BMI)는 신경회로와 상호간에 메시지의 송수신이 가능하다.
▶ 뇌활동을 판독하는 기존 기술은 부정확하거나 시간이 걸렸다.
▶ 동작의 의도를 창출하는 뇌의 영역에 BMI의 전극을 삽입해 척수손상 환자에게 보다 유용한 기술을 실현하는 새로운 연구가 추진되고 있다.

-- 신세대 브레인 머신 인터페이스, 인간이 무엇을 하고 싶어하는 지 추측 가능 --
사지마비 환자인 자원봉사자가 휠체어에 탄 채 생각만으로 컴퓨터나 로봇 의지(義肢)를 제어한다. 나는 이와 같은 브레인 머신 인터페이스(BMI)의 데몬스트레이션을 볼 때마다 매우 감동한 나머지 소름이 돋는다.

2013년, 21세의 나이에 총격으로 인해 사지가 마비된 솔토(Solto) 씨가 머릿속의 생각만으로 10년만에 누군가의 도움 없이 혼자서 맥주를 마셨다. BMI가 솔토 씨의 고차(高次) 피질 영역으로부터의 신경 메시지를 로봇 팔에 전송하자, 로봇 팔이 펴지며 맥주 캔을 잡았다. 그리고 솔토 씨의 입가로 가져와 그는 맥주를 한 모금 마셨다. 이로부터 1년 전, 솔토 씨는 운동을 조절하는 사고(思考)를 관장하는 신호를 검출하기 위해 뇌에 전극을 심는 수술을 받았다. 간단해 보이지만 실제로는 복잡하게 얽혀있는 과제를 솔토 씨가 해내는 것을 나는 연구실의 동료들과 함께 감탄하며 지켜봤다.

이처럼 신기한 일을 목격하게 되면 사람들은 생각만으로 어떻게 기계적인 의지(義肢)를 제어할 수 있는 지 의문을 갖게 된다. 사람은 매일 아무 생각 없이 손과 발을 움직이고 있다. 그런 동작을 쉽게 해내는 것이 고성능 BMI의 목표이다. 신경 과학자들은 손을 뻗어 물체를 잡는 동작을 지시하는 신경 신호를 해독하기 위해 수십 년 동안 노력을 기울여 왔다. 이러한 신호의 판독에 어느 정도 성공함으로써 뇌의 860억개 뉴런이 정보를 교환할 때 주위로 전달되는 전기 파문을 이용하는 새로운 방법 탐색에 탄력이 붙었다. 신세대의 BMI는 행동(컵을 잡거나 걸음을 걷는 등)을 계획하는 신경영역에 상당히 정확하게 접근함으로써 뇌와 의지(義肢) 사이에 이음매가 없는 연계를 창출해 낼 가능성을 지니고 있다.

-- 뇌에서 로봇으로 --
BMI는 뇌로의 메시지 송신(입력)과 뇌로부터의 메시지 수신(판독)에 의해 동작한다. BMI 기술은 크게 2가지로 분류된다. 입력형(Write-in) BMI와 평상시 전기 자극을 이용해 신경조직에 신호를 보내는 BMI 기술은 이미 임상 응용에 성공해 이용되기 시작했다. 예를 들어, 인공 내이(內耳)는 청각 장애인의 청신경을 자극함으로써 소리를 들을 수 있게 한다. 운동을 제어하는 영역인 대뇌 기저핵을 자극하는 뇌심부 자극은 파킨슨병이나 원인 불변의 질환을 치료한다. 망막을 자극하는 장치는 현재, 청각 장애를 경감시키기 위한 임상시험이 시행되고 있다.

한편, 신경 활동을 기록하는 판독형(Read–out) BMI는 아직 개발 단계에 있다. 이 차세대 기술이 환자에게 적용되기까지는 신경신호의 판독 특유의 과제 해결에 나설 필요가 있다. 정밀도가 낮은 판독 기술은 이미 존재하고 있다. 뇌파계(EEG)는 단일 신경회로 안의 개별 뉴런 활동이 아닌, 수백 만개의 뉴런 활동을 파악함으로써 센티미터 단위의 평균적인 활동을 기록한다. 기능적 자기공명영상법(fMRI)은 활발히 활동하는 영역으로의 혈류량 증가를 기록함으로써 신경활동을 간접적으로 파악한다.

EEG보다 좁은 영역을 촬영할 수 있으나, 그래도 분해능(分解能)은 상당히 낮다. 또한 혈류량의 변화는 느리기 때문에 fMRI으로는 뇌활동의 급격한 변화를 알 수 없다.

이런 한계를 극복한 이상적인 방법은 각각의 뉴런 활동을 기록하는 것이다. 다수의 뉴런 발화율 변화를 측정하면 특정의 뇌 영역에서 일어나고 있는 것을 가장 잘 이해할 수 있다. 최근 뇌 안에 심은 미세전극 어레이에 의해 이런 종류의 기록이 가능해졌다. 현재 사용되고 있는 미세전극 어레이는 4X4mm의 기판 상에 길이 1~1.5mm의 전극이 100개 붙어있는 것이다. 어레이 전체는 100~200개의 뉴런 활동을 기록할 수 있다.

전극이 기록한 신호는 ‘디코더(Decoder)’로 전송된다. 디코더는 수학 알고리즘을 사용해 뉴런의 다양한 발화 패턴을 로봇 의지 및 컴퓨터의 제어 등 특정 동작을 하게 하는 신호로 변환된다. 이런 판독형 BMI는 척수손상 및 뇌졸중, 다발성 경화증, 루게릭병, 듀센느 근육병증 환자를 지원할 수 있게 될 것이다.

우리 연구실에서는 상부척수손상 때문에 팔과 다리를 모두 움직일 수 없는 사지마비의 피험자로 대상을 좁혀왔다. 우리가 기록하고 있는 것은 대뇌피질, 즉 좌우의 뇌반구 표면에 펼쳐진 두께 3mm의 부분의 신경활동이다. 각 뇌반구의 대뇌피질은 편평하게 펼치면 약 8만㎟가 된다. 데이터가 모일수록 특정의 뇌기능의 제어에 특화된다는 것이 밝혀진 피질 영역의 수는 늘어나, 현재는 180영역 이상 있는 것으로 추정되고 있다. 이런 영역은 지각 정보를 처리하거나, 인지에 관련된 다른 뇌 영역과의 연계동작을 불러일으키기 위한 의사결정 및 지시 발령을 시행하고 있다.

말하자면, BMI는 대뇌피질이 다수의 영역과 메시지를 주고 받을 수 있다. 예를 들어, 망막에 닿은 빛의 각도 및 강도, 또한 말초신경종말에서 일으킨 감각 등의 입력 신호를 받는 ‘1차 피질 영역’이다. 또한 언어나 물체 인식, 감정, 의사결정의 실행 제어에 특화되어 있으며 1차 피질 영역과 긴밀히 연락을 하고 있는 ‘연합영역(Association area)도 BMI의 타깃이다.

우리 연구 그룹이 연구하고 있는 연합영역은 ‘후두부 피질(PPC)’로 불리는, 운동을 계획하기 시작하는 영역이다. 사람 이외의 영장류를 조사한 실험 연구로부터 후두정피질(後頭頂皮質)의 ‘LIP야(외측 두정엽 내구(LIP) 영역)’라는 서브 영역에서 안구 운동을 시작하려는 의도를 파악한다는 것을 알게 되었다. 수족 운동에 관한 처리는 후두정피질과 별도의 영역에서 이뤄지고 있다.

로봇이나 컴퓨터 화면의 자판을 뇌로 제어하는데 후두정피질은 몇 가지 점에서 유리하다고 볼 수 있다. 각 뇌반구의 운동영역이 신체 반대측의 손과 발을 움직이게 하는 것에 반해, 후두정피질은 양팔을 제어하고 있다. 후두정피질은 운동의 목적지도 제시한다. 예를 들어 물체에 손을 뻗는 것과 같은 시각적인 사인을 원숭이에게 전송하면 후두정피질이 바로 목표 물체의 위치를 알려준다. 한편, 운동영역은 손을 목적지에 어떻게 도달시킬 지를 현재 위치에서 차례대로 신호를 전송한다. 의도한 운동의 목적지를 알고 있기 때문에 BMI는 수 백m/s 이내라는 단시간 안에 신호를 해독할 수 있으나, 운동영역으로부터의 궤도 신호 해독에는 1초이상 걸리는 경우도 있다.

-- 연구소에서 환자에게로 --
동물 실험에서 사람의 후두정피질의 연구로 추진하는 것은 쉽지 않았다. 우리가 사람의 뇌에 장치를 심는 실험을 시행하기까지는 15년이 걸렸다. 먼저, 사람에게 사용할 예정의 전극 어레이와 같은 것을 건강한 원숭이 뇌에 심어 컴퓨터 화면의 자판이나 로봇의 의지(義肢)를 제어할 수 있게 훈련했다.

우리는 캘리포니아공과대학과 남 캘리포니아대학, 캘리포니아대학 로스앤젤레스교, 란초로스 아미고스 국립재활센터, 카사콜리나병원 헬스케어센터로부터 과학자 및 임상의, 재활 전문가를 모아서 팀을 편성했다. 또한 미국식품의약품국(FDA)과 연구에 관여하는 대학 및 병원, 재활시설에서 안전성과 윤리적인 면의 평가를 담당하는 위원회로부터 연구 추진에 대한 허가를 받았다.

이런 종류의 프로젝트에 참가하는 자원봉사자 환자는 진정한 개척자이다. 참가하더라도 자신에게 이익이 될 지 알 수 없기 때문이다. 결국, 그들이 참가하는 이유는 그 기술이 실용화 될 수 있었을 때 그것을 사용하고 싶어하는 환자를 돕기 위해서이다. 우리의 최초 자원봉사자 환자인 솔토 씨의 뇌에 전극을 심는 수술은 2013년 4월에 실시, 신경외과의사인 리우 씨와 리 씨가 집도했다. 수술은 무사히 종료했으나 장치를 테스트하기 전에 솔토 씨의 회복을 기다릴 필요가 있었다.

테스트 1일째 우리는 신경활동을 검출했다. 그 주의 마지막까지는 충분한 수의 뉴런으로부터 신호를 받을 수 있었기 때문에 솔토 씨가 로봇 의지를 조작할 수 있는 지 여부를 확인했다. 솔토 씨의 첫 과제는 로봇 팔로 다양한 방향에서 대학원생과 악수하는 것이었다. 의도하는 뇌 신호를 사용해 로봇 팔을 제어하는 것은 직감적이며 간단한 것이었다. 솔토 씨는 대뇌피질에서 얻은 각각의 뉴런 기록을 보면서 다양한 동작을 상상하는 것만으로 뉴런의 온∙오프를 자유자재로 바꿀 수 있었다.

화상인식 알고리즘이 비디오 카메라로부터의 입력 데이터를 해석해 스마트로봇이 뇌의 의도 신호와 컴퓨터 알고리즘을 조합시켜 로봇 팔을 움직이게 한다. 솔토 씨가 1년 후 이 목표를 달성했을 때 그 자리에 있던 모두가 환호성을 질렀다. 우리는 후두정피질에서의 뇌 신호를 사용해 신경 인공장치를 제어한 최초의 연구 결과를 사이언스지(誌)에 발표했다.

-- 뇌는 목적을 어떻게 표현하고 있을까? --
우리는 이러한 연구를 통해 의도에 관련된 신호 처리에 적합한 뉴런을 발견해 흥분했다. 겨우 수백 개의 뉴런으로부터 수집한 정보는 대단한 양이 되었다. 우리가 해독할 수 있었던 인지활동은 머릿속에서 세운 전략(단지 운동을 떠올리는 것이나 실제로 시행하는 것) 및 손가락의 운동, 본 적이 있는 시각 자극인지 아닌 지의 판단, 움켜쥐기 위한 손의 자세, 동작의 관찰, ‘쥔다’ 나 ‘누른다’ 등의 움직임을 나타내는 동사의 관찰, 산수 등 다방면에 걸쳤다. 몇 개의 미세 전극 어레이를 심는 것으로 인해 사람이 의도하고 있는 많은 것을 해독할 수 있게 된 것은 놀라운 일이었다.

-- 감각에 써넣는다 --
BMI에 필요한 것은 뇌의 신호를 수신 및 처리하는 것만이 아니다. 의지(義肢)로부터의 피드백을 뇌에 전송할 필요가 있다. 물체를 잡기 위해 손을 뻗을 경우, 시각적 피드백은 손을 목표물에 향하게 하는데 필요하다. 손의 배치는 잡으려는 물체의 형태에 따라 결정된다. 그러나, 손이 물체를 움직이게 했을 때의 촉감이나 사지(四肢) 위치에 관한 신호를 받지 않으면 기능이 급격하게 떨어진다.

이와 같은 신호를 보완하는 방법을 모색하는 것은 척수손상의 환자에게 반드시 필요하다. 척수손상환자는 손상 위치에 따라 하반신을 움직이지 못한다. 또한 매끄러운 동작에 필요한 촉각이나 위치 감각을 느낄 수 없다. 따라서 이상적인 신경인공장치는 쌍방향의 신호 전달을 통해 그것을 보완할 필요가 있다. 다시 말해, 척추손상 환자의 의도를 전송하는 것뿐만 아니라, 로봇 의지(義肢)의 센서로부터 오는 감촉이나 위치에 관한 정보를 감지하지 않으면 안 되는 것이다.

피츠버그대학의 곤트 씨 팀은 사지마비 환자의 체성감각 영역(사지로부터의 입력을 처리해 촉감을 만들어낸다)에 미세 전극 어레이를 심는 것으로 이 과제 해결에 나서고 있다. 그들이 극소전극을 통해 적은 전류를 전송하면 피험자는 손 표면의 여러 부분에서 감각이 느껴졌다고 보고했다.

우리도 비슷한 장치를 뇌의 체성감각 영역에 심어서 사용하고 있다. 우리의 피험자 중 1명이 자신의 ‘팔을 잡고 있다’, ‘팔을 가볍게 두드리고 있다’, ‘팔에 진동을 느낀다’는 감각(피부 감각)을 통해 자신의 팔이 움직이고 있다는 것을 느낄 수 있었다. 이것을 자기 수용 감각이고 한다. 이 실험은 수적(數的) 감각을 잃어버린 피험자가 지각을 입력해 BMI에 의해 감각을 되찾는 것을 나타내고 있다. 다음 단계는 체성감각의 피드백을 통해 뇌가 제어하는 로봇의 기능이 늘어날 수 있는지를 센서가 탑재된 로봇 팔을 사용해 확인하는 것이다. 또한 로봇의 의지가 몸의 일부인 것처럼 느끼는 ‘신체화’ 감각을 피험자가 느끼는 지 여부를 알고 싶다.

커다란 문제 중 하나는 신경 시호의 송수신에 뛰어난 전극을 개발하는 것이다. 현재 뇌의 매립 장치는 비교적 긴 5년간 작동될 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 전극이 개량된다면 장치의 수명은 더욱 길어져 기록할 수 있는 뉴런의 수가 늘어날 것이다. 또 하나의 우선 과제는 전극의 침을 길게 함으로써 피질의 주름에 있는 영역의 측정이 가능해 지는 것이다.

또한 플렉시블 한 전극, 다시 말해 혈압의 변화나 일상적인 호흡으로 인해 뇌 안에서 조금 눌려져도 그것에 맞춰 움직이는 전극이 있다면 더욱 안정적인 기록이 가능해진다. 연구자는 동일한 뉴런의 활동을 수 주에서 수 개월에 걸쳐 조사하고 싶다고 생각하지만, 기존의 딱딱한 전극으로는 뉴런에 대한 위치가 매일 변화하기 때문에 해독기의 재조정이 필요하다.

매립 장치는 소형화와 저소비 전력화(뇌를 따뜻하게 하는 것을 방지하기 위해)가 요구되고 있다. 또한 장치와 연결되는 케이블이 필요 없게 와이어리스화도 필요하다. 현재의 BMI기술은 수술에 의한 장치의 매립이 필요하다. 두개골 밖에서도 신호를 송수신 할 수 있으며 기존의 매립형 전극 어레이와 동일한 정밀도로 기능하는 기록∙자극 인터페이스가 언젠가는 개발될 수 있을 것으로 우리는 기대하고 있다.

 -- 끝 --

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