뇌-컴퓨터 인터페이스: 현대 의학의 플러그인이지만 마비 환자에게는 도박이기도 하다

5월 17일, 머스크는 올해 초 환자의 뇌에 뇌 칩을 이식하는 데 처음으로 성공한 데 이어, 뉴럴링크에서는 두 번째 환자를 대상으로 수술을 진행할 예정이라고 공개적으로 밝혔습니다.

5월 20일, 미국 식품의약국(FDA)은 머스크의 뉴럴링크 회사가 두 번째 환자에게 뇌 칩을 이식하는 것을 승인했지만, 승인서에는 다음과 같이 적혀 있었습니다.뉴럴링크는 첫 번째 실험 대상에서 발생한 뇌-컴퓨터 인터페이스 임플란트 오작동을 해결해야 합니다.

FDA가 언급한 "오작동 문제"는즉, 첫 번째 환자의 뇌 이식 칩에서는 전극 와이어 중 약 15%만 정상적으로 작동하고, 와이어 중 85%는 변위되었으며, 신호를 받을 수 없는 많은 스레드가 중단되었습니다.뉴럴링크는 올해 3월에야 발표되었지만, 8년 전 다이빙 사고로 사지마비가 된 이 남성은 뇌-컴퓨터 인터페이스 수술을 받은 지 두 달도 채 되지 않아 마음으로 마우스를 조종하고 체스와 온라인 게임을 즐길 수 있게 됐습니다.

사실은,뇌-컴퓨터 인터페이스의 안전성은 항상 논란의 여지가 있었습니다.뇌는 인체에서 가장 중요하면서도 가장 취약한 기관입니다. 그 정확성과 복잡성을 분석하는 것은 어렵습니다. 뇌 수술을 할 때는 모든 움직임을 신중하게 고려해야 합니다.

다른 관점에서 보면, 단순히 뇌 뒤에 케이블을 꽂는 것만으로 사람들은 "생각"을 통해 "현실"을 바꿀 수 있습니다. 청각 장애인은 "소리를 들을" 수 있습니다. 마비 환자는 로봇 팔을 조종할 수 있다. 실어증 환자는 "말할" 수 있습니다... 이 치료법은 의료 산업에 새로운 상상력을 열어 주었고 관련 환자들에게 새로운 희망을 가져다 주었습니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스가 완전한 성숙과 대규모 인체 실험에 이르기까지는 아직 먼 길이 남아 있는 것처럼 보이지만, 기술적 생산성의 지속적인 지원으로 이미 조용히 뿌리를 내리고 싹을 틔우며 강한 활력과 성장 가능성을 보여주고 있습니다.

뇌-컴퓨터 인터페이스 기술, 인간-컴퓨터 상호작용의 새로운 시대를 열다

인간의 지각, 사고, 언어 및 운동 능력은 모두 뇌가 신체 기관과 근육군을 효과적으로 제어함으로써 달성됩니다.뇌-컴퓨터 인터페이스 기술은 인간이나 동물의 뇌와 외부 장치 사이에 정보 교환을 위한 연결 경로를 만듭니다.뇌가 보낸 정보를 외부 장치를 구동할 수 있는 명령으로 직접 변환하고, 인간의 사지나 언어 기관을 대체하여 인간이 외부 환경을 통제할 수 있게 됩니다.

1969년, 과학자 에버하르트 피츠는 흥미로운 실험을 했습니다. 그는 원숭이의 뇌에 있는 뉴런을 대시보드에 연결했습니다. 원숭이가 특정한 사고방식을 통해 뉴런을 자극하고 대시보드의 포인터를 움직일 수 있다면 보상으로 바나나맛 공을 받을 것입니다. 더 많은 보상을 받기 위해 원숭이들은 실제로 뉴런의 발사를 제어하는 법을 배웠습니다. 이렇게 원숭이는 우연히 세계 최초의 뇌-컴퓨터 인터페이스의 '실험대상'이 되었습니다.

동물 실험의 성공은 인간 사회에서 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구에 중요한 영감을 제공합니다.1990년대 초, 미국의 신경학자 필 케네디는 마비 환자의 뇌에 뇌-컴퓨터 인터페이스를 이식하여 환자가 마음으로 타이핑을 해서 의사소통을 할 수 있도록 시도했습니다. 이는 인간 사회의 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술에 있어서 중요한 진전을 의미합니다.

오늘날 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술은 점점 더 많은 데이터를 생성하고 있으며, 이러한 데이터를 효과적으로 관리하고 분석하는 것이 주요 과제로 떠올랐습니다. AI 기술의 발전 덕분에 연구자들은 신호 패턴 확립, 노이즈 필터링, 데이터 처리 최적화, 효과적인 정보 추출 등 과학 연구 효율성을 지속적으로 개선할 수 있습니다. 국내 정책 지원 측면에서도 뇌-컴퓨터 인터페이스는 2023년 9월 공업정보화부에서 4대 중점 방향 중 하나로 선정되었습니다.뇌-컴퓨터 인터페이스로 대표되는 하이엔드 생명공학은 차세대 생명과학과 정보기술의 상호작용을 위한 '새로운 전장'이 되고 있습니다.

두피에서 피질까지, 뇌-컴퓨터 인터페이스를 위한 세 가지 주요 구현 전략

뇌-컴퓨터 인터페이스에는 비침습적, 침습적, 반침습적이라는 세 가지 주요 형태가 있습니다.

• 비침습적: 뇌를 침습할 필요 없이 두피에 부착하는 착용형 기기를 통해 뇌 정보를 기록하고 해석합니다.

이 기술은 두개골에 의한 뇌 신호의 감쇠와 전자파의 분산 및 흐릿함으로 인해 위험한 수술을 피할 수 있지만, 최종적으로 장치에 기록되는 신호 강도와 해상도가 낮아 신호의 근원이 되는 뇌 영역이나 관련 뉴런의 방전을 파악하기 어렵습니다.

• 반침습적 방법: 뇌-컴퓨터 인터페이스가 대뇌 피질 바깥의 두개강에 이식됩니다.

이 기술은 주로 전기피질도(ECoG)의 정보 분석에 기초하고 있습니다. 신호 강도와 해상도는 비침습적 방법보다 우수하지만 침습적 방법보다는 약합니다. 면역 반응과 굳은살이 생길 가능성을 줄일 수 있습니다.

• 침습적 방법: 전극을 수술적으로 대뇌 피질에 직접 이식합니다.

이 기술은 고품질의 신경 신호를 얻을 수 있지만, 안전상의 위험이 높습니다. 예를 들어, 이물질의 침입은 면역 반응과 굳은살 형성을 유발할 수 있으며, 상처가 치유되기 어려워 염증과 같은 일련의 반응을 유발할 수 있습니다.

그 중 머스크의 회사인 뉴럴링크는 침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술 솔루션을 채택했습니다. 두개골 절개술을 통해 전극을 인간의 뇌에 삽입한 다음, 이를 신경 세포에 접촉시켜 EEG 신호를 수집하고 해독합니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스의 창시자인 미구엘 니콜렐리스는 이에 대해 비관적인 태도를 취합니다."저는 침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스를 발명했지만, 대부분의 환자와 상업적 기업에서는 앞으로 몇 년 안에 비침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스가 주류가 될 것입니다."

국내외 대학, 뇌-컴퓨터 인터페이스 다양한 방식으로 연구

최근 들어 Neuralink와 같은 상업 기업 외에도 국내외의 많은 과학 연구 기관과 학술 기관에서도 의료 분야에서 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반으로 한 많은 과학 연구 및 임상 시험을 진행하고 있습니다.

3개 대학이 손을 잡고 마비 환자가 '마음'으로 타이핑할 수 있도록 돕는다

2021년 5월, 스탠포드 대학, 브라운 대학, 하버드 의대의 저명한 과학자들이 공동으로 새로운 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술을 개발했습니다.마비 환자가 마음속 생각을 분당 90자의 속도로 컴퓨터 화면에 직접 텍스트로 변환하도록 돕습니다. 이는 휴대전화를 사용하는 같은 연령대의 평균 타자 속도(분당 115자)보다 약간 느립니다.

이 기술은 마이크로 모터 배열을 뇌에 이식합니다.EEG 신호의 수집 품질과 풍부함이 보장됩니다. 그 중 마이크로 모터 배열은 체스판과 같습니다. 사용자가 글자가 쓰여지는 것을 상상하면 뇌에 이식된 전극이 많은 뉴런의 전기적 활동을 포착하고 측정할 수 있으며, 뇌의 세부적인 지시를 더욱 정확하게 구현하고 "타이핑" 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

일반적으로 수집된 EEG 신호에서 노이즈를 제거한 후 "타이핑" 내용을 디코딩해야 합니다. 연구진은 AI 모델을 사용하여 신경 활동과 실제 쓰기 손가락 활동 간의 매핑 관계를 학습하고, 재귀 신경망을 사용하여 각 글자가 생성하는 신경 활동 패턴을 학습하고, 여러 실험에서 이러한 활동 패턴 간의 관계를 분석하고, 차원 축소를 사용하여 클러스터 다이어그램을 생성했습니다. 그런 다음 알고리즘은 참가자가 현재 상상하고 있는 글자를 예측하고 예측을 인쇄된 출력으로 변환합니다. 마지막으로, 언어 모델은 최종적으로 표시되는 텍스트가 더 정확해지도록 초기 출력 결과를 수정합니다.

존스홉킨스 대학교: 뇌-컴퓨터 인터페이스를 사용하여 로봇팔을 제어하여 케이크를 먹습니다.

2022년 6월, 존스홉킨스 대학 연구팀은 칩을 이식했습니다.30년 이상 마비되어 있던 한 남자가 자신의 생각으로 로봇 팔을 조종하는 데 성공해 스스로 식사를 할 수 있게 됐습니다.이 자원봉사자는 세계 최초로 양측 뇌 이식 수술을 받은 사람입니다. 즉, 전극 배열이 뇌의 좌반구와 우반구 모두에 이식된 것입니다.

이 연구에서는연구자들은 공유 제어 전략이라는 새로운 접근 방식을 제안했습니다.인간과 두 개의 로봇 팔을 인간-기계의 조합으로 간주함으로써 제어해야 할 자유도는 34에서 12로 줄어들고, 관절 움직임과 손가락 꼬집기와 같은 다른 자유도는 역기구학 알고리즘을 통해 해결됩니다. 또한, 이 12개의 자유도는 동적으로 나뉩니다. 각각의 특정 작업에서 시스템은 실행 단계를 나눕니다. 음성 안내를 통해 인간은 최대 3대를 동시에 조종할 수 있으며, 나머지 대부분의 작업은 알고리즘이 처리합니다.

결국 참가자들은 총 20개의 테스트 과제 중 17개를 성공적으로 완료하였고, 로봇팔을 자신의 선호도에 맞게 미세하게 조정하고, 케이크 자르는 크기를 조절하고, 두 손으로 조율된 조작으로 정밀한 조작을 달성할 수 있었습니다. 이 연구에서 제안하는 공유 제어 전략은 뇌-컴퓨터 인터페이스 디코딩의 어려움을 줄일 수 있으며, 이는 이식 전극이 적거나 정확도가 낮은 저비용 솔루션에도 도움이 될 수 있습니다.

청화대: 14년간 사지마비 환자, 마음으로 물 마셔

2024년 3월, 청화대학교 홍보 교수 팀은 사례 연구를 발표했습니다.14년 동안 사지마비를 앓았던 환자가 무선 최소 침습 뇌-컴퓨터 인터페이스 이식 수술을 받았습니다. 수술 후 훈련을 거친 그는 단 한 달 만에 공압 기계 장갑을 이용해 물병을 잡는 데 성공했습니다.

이 경우에는,"최소 침습적"이 핵심입니다.300개가 넘는 구성 요소를 통합한 전체 시스템과 내부 기계의 크기는 1위안 동전 두 개 정도에 불과합니다. 홍보 교수팀의 솔루션은 침습적과 비침습적 사이에 있는데, 이를 '반침습적'이라고 부를 수 있습니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치 전체는 전극, 내부 기계, 외부 기계의 세 부분으로 나뉩니다.

먼저, 연구팀은 자기공명영상을 사용하여 환자의 운동 지각 피질을 찾고 두개골 절개술 후 전극을 어디에 배치해야 할지 결정했습니다. 그런 다음 신호를 수집하기 위한 전극을 두개골과 대뇌 피질 사이의 경막 외부에 배치합니다. 뇌 신호 처리와 의사소통을 담당하는 내부 기관은 두개골에 약 6~10mm 깊이로 묻혀 있습니다. 외부 기계는 두피에 부착되어 EEG 신호를 수신하고 전송하는 동시에 내부 기계에 전력을 공급합니다.

저장대학교, '생각으로 한자 쓰기' 세계 최초 실현

2024년 4월, 저장대학교 뇌-기계 조절 임상중개연구센터 신경질환분과에서 뇌 제어 한자 쓰기에 대한 최신 연구 성과를 발표했습니다.

교통사고로 하반신 마비가 된 한 환자가 자신의 생각으로 글을 썼고, 로봇 팔이 글자판에 획 하나하나씩 "저장대학교 뇌-컴퓨터 인터페이스"라는 여덟 글자를 쓸 수 있었습니다.

사실, 뇌로 제어되는 한자 쓰기는 실제로 많은 어려움에 직면합니다. 우선 한자의 구조가 복잡하고 부수, 부수, 획순 등 주의해야 할 사항이 많습니다. 획이 많고 글자도 많아 분류하기 어려워 해독이 더욱 어렵습니다. 둘째, 전통적인 뇌-컴퓨터 인터페이스에서 로봇팔의 뻗침과 움켜쥐기를 제어하는 원리는 주로 큰 관절 움직임에 대한 분석에 기반을 두고 있는 반면, 한자 쓰기는 더욱 정교한 움직임을 요구합니다.

실험 동안 자원봉사자들은 마음속으로 정상적인 글쓰기 과정을 상상했고, 그 결과 운동 영역의 신경 활동이 촉발되었습니다. 연구진은 피험자가 상상하는 글쓰기 궤적을 얻기 위해 운동 영역의 신경 신호를 분석한 다음 로봇 팔을 제어하여 글을 썼습니다. 마비 환자의 뇌파를 추출하여 외부 기계 장치를 제어해 텍스트를 쓰고 환자의 의사소통 요구를 충족시키는 이 새로운 치료법은 ALS와 같은 질병을 앓고 있는 환자에게 매우 중요합니다.

사실, 저장대학은 '마음으로 쓰기'를 실현하는 것 외에도 뇌-컴퓨터 인터페이스의 다른 분야에 대한 일련의 연구를 시작했습니다. 2014년, 저장대학 연구팀은 인간의 뇌에 피질 뇌파(EEG) 미세전극을 이식하고 '마인드 파워'를 사용해 로봇팔을 제어해 어려운 '가위바위보' 손가락 동작을 완료했는데, 이는 당시 중국 최초의 사례였다.

2020년, 저장대학은 중국 최초로 이식형 뇌-컴퓨터 인터페이스에 대한 임상 전환 연구를 완료했습니다. 교통사고로 사지가 완전히 마비된 환자에게 뇌의 운동 피질에 미세전극 배열을 삽입했습니다. 체계적인 훈련을 거친 후, 그는 로봇 팔을 사용하여 악수, 음료수 들기, 튀긴 반죽 막대기 먹기, 마작 두기 등의 동작을 수행할 수 있게 되었습니다.

보안 및 윤리적 과제: 뇌-컴퓨터 인터페이스의 미래는 어디에 있을까?

뇌-컴퓨터 인터페이스는 의료 건강과 같은 많은 분야에 대해 더욱 창의적인 솔루션을 제공하지만 동시에이 기술의 급속한 발전으로 인해 대중은 개인 안전과 AI 윤리에 대해 깊은 우려를 갖게 되었습니다.

첫 번째는 피험자의 개인적 생명 안전 문제입니다. 예를 들어 Neuralink를 살펴보겠습니다. 전체 이식 수술은 15분밖에 걸리지 않고 수혜자에게 거의 외상을 입히지 않지만, 침습적 방법이라는 단점도 상당하며, 두개골 절개술 후의 안전성을 장기적으로 보장할 수 없습니다. 게다가 인체가 임플란트에 대한 면역 반응을 일으킬 수도 있는데, 이는 생명을 위협할 수 있는 잠재적인 위협이 될 수 있습니다. 관련 소프트웨어 및 하드웨어 시설을 불법적으로 사용할 경우(악의적인 신호 입력, 신호 임계값 변경 등) 뇌 혼란을 일으킬 수 있으며, 심각한 경우 생명 안전이 위협받을 수도 있습니다. 따라서 인체 임상시험을 실시하기 전에, 인간의 생명과 건강에 대한 위험을 효과적으로 줄이는 방법은 관련 연구자들이 직면한 어려운 문제입니다.

두 번째는 개인의 사생활과 보안 문제입니다. 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술은 소프트웨어와 하드웨어 장비를 사용하여 인간 뇌의 생체전기 신호를 직접 수집하고 분석합니다. 건강 상태, 신념, 심리적 특성 등의 개인 정보도 이 장비를 통해 수집됩니다. 사용자의 생각은 기계에 거의 완전히 노출되어 거의 "투명한" 상태를 형성하는데, 이는 사용자에게 쉽게 공황 상태를 유발할 수 있습니다.

그리고 윤리적 문제도 있습니다. 실제로 뉴럴링크는 2022년부터 동물실험으로 큰 논란을 일으켰고, 미국의 동물보호단체 PCRM도 뉴럴링크가 원숭이를 학대했다고 비난했습니다. 이후의 동물실험에서도 어떻게 인도주의적 태도를 유지할 것인가는 인간이 제시해야 할 답이다.

또한, 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구는 연구 대상자의 알 권리와 개인의 존엄성을 존중해야 합니다. 관련 연구의 핵심 기술, 성과 지표, 취득 방법은 공개적이고 투명해야 합니다. 잠재적으로 논란의 여지가 있는 기술에 관해서는 이해관계자와 대중의 의견을 폭넓게 들어야 합니다. 또한 뇌-컴퓨터 인터페이스 대상자와 비대상자 사이에 편견과 차별 등의 문제가 발생하지 않도록 예방하는 것도 필요합니다.

마지막으로, 인간의 뇌와 인공지능이 깊이 통합되면 누가 지배적인 존재가 될까요? 인간이 기계를 통제하고 있는가, 아니면 기계가 통제권을 잡고 있는가? 뇌-컴퓨터 인터페이스를 이식한 후 인간이 실수를 하거나 심지어 범죄를 저지른다면 누가 책임을 져야 할까? 아마도 관련 법률과 규정이 도입되기 전에, 뇌-컴퓨터 인터페이스가 보다 광범위하게 사용되기 위해서는 이러한 어려운 문제를 극복해야 할 것입니다.

참고문헌:
1.https://www.tsinghua.edu.cn/info/1182/110136.htm
2.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9927342/
3.https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_27136825
4.https://mp.weixin.qq.com/s/Fg98TfqSiCxFEKJJ0Y6asg