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1. 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술이란?

Brain Computer Interface

뇌에서 나오는 신호를 이용하여 의사소통 수단을 제공하는 기술을 뇌 컴퓨터 인터페이스, 뇌 기계 인터페이스라고 부른다.

 

뇌의 뉴런 신호를 해독해 의사소통을 가능하게 해주는, 일종의 번역기 역할을 하는 기술이다. 뇌에서 정보를 추출 해석하고 이를 활용해 컴퓨터, 로봇팔, 휠체어 등 외부 장치를 제어하는 데 활용된다.

최근에는 뇌 임플란트라고 칭하기도 하는데 좀 더 직관적으로 이해되는 용어다.

 

2. 구분

뇌의 정보를 읽는 방법은 크게 침습적 방식과 비침습적 방식 두 가지로 분류한다.

 

두피를 절개하여 전극이나 칩을 삽입하는 방식(침습적 방식)보다는 외과 수술 필요 없이 머리에 장치를 부착해 뇌파를 읽는 방식(비침습적 방식)이 더 일반적이고 오래되었다.

 

3. 침습적 방식의 대표적 BCI 기업

1) 뉴럴링크

이 분야에서 가장 화제가 되는 기업은 일론 머스크가 설립한 뉴럴링크(Neuralink) 일 것이다.

 

2019년 쥐를 대상으로 실험했다. 머리카락 20분의 1에 불과한 굵기의 가느다란 실에 32개 전극을 코팅하여 뇌 표면에 바느질하듯 박아 넣는 것이다. 이를 위해 뇌혈관을 피해 출혈을 최소화하면서 분당 6개의 실을 뇌 표면에 이식하는 바느질 로봇까지 개발했다. 이 전극들은 시스템 칩을 거쳐 외부 컴퓨터와 연결된다.

 

2020년에는 돼지를 대상으로 칩을 이식하고 2달 동안 생활한 결과를 공개했다. 동전 크기의 작은 디바이스를 두개골 아래에 이식하고 로봇을 이용해 1024개 신경 실을 뇌에 심어 넣은 다음 이 돼지가 활동할 때 뇌에서 나타나는 전기 신호가 무선 통신을 통해 실시간으로 뉴럴링크 컴퓨터에 기록되는 모습이 생방송 되었다.

 

2021년에는 원숭이 뇌의 운동 피질 중 손, 팔과 관련된 부위에 칩을 이식했다. 원숭이가 신경 활동으로 컴퓨터 커서를 움직여 게임을 실행하게 만든 것이다. 이후 이 원숭이는 사망했고 적지 않은 수의 실험동물을 학대하고 있다고 의심받는 상황이다.

 

출처: 뉴럴링크.  수술 기계로 두개골을 뚫어 그 아래 직접 이식하는 칩

올해 5월에는 FDA로부터 인간 대상 임상 시험 승인을 받아 6개월 후 인간 실험을 개시할 예정이다. FDA 승인 덕분에 뉴럴링크는 최근 3700억 원 거액의 투자를 유치했다.

 

뉴럴링크는 사지를 잃거나 마비된 사람이 운동 능력을 갖추게 해 주는 것을 넘어 ‘인간의 뇌에 AI 기능을 결합해 인간의 능력을 극대화한다, 30년 뒤 뇌에 슈퍼컴퓨터 기능을 탑재한 AI휴먼을 만든다.' '사람과 세상이 무선으로 소통한다’는 목표를 추구하는 데 비해 경쟁사인 싱크론과 블랙록 뉴로텍은 마비/장애 환자에 보다 초점을 두고 있다.

 

2) 싱크론(Synchron)

뇌 이식 칩을 신체 마비 환자 6명에게 이식하여 BCI 기술을 인체에 적용한 첫 번째 회사가 되었다.

뉴럴링크가 두개골을 뚫고 칩을 이식하는 데 반해 싱크론은 뇌혈관에 메시(그물망)형 칩을 안착시켜 보다 안전하다.

원리는 다음과 같다.

뇌 신경신호를 기록할 수 있는 전극이 점점이 분포된 그물망이 뇌 운동 피질 부위 혈관에 자리를 잡으면 확장되어 전극을 압박하며 신호를 감지한다. 그러면 가슴 피부 아래쪽에 이식된 장치에서 이 뇌 신호를 수신한다. 이를 외부 수신기에 연결하여 뇌 신호를 컴퓨터로 보낼 수 있는 것이다.

 

출처: 싱크론. 일단 스텐트로드가 운동피질 위의 혈관에 이식되면 확장돼 신경 신호를 기록할 수 있는 뇌 근처의 혈관 벽을 향해 전극을 누른다 .

3) 블랙록 뉴로텍(Blackrock Neurotech)

블랙록 뉴로텍(Blackrock Neurotech)은 19년이나 BCI 분야를 연구해 왔다.

뉴로포트(NeuroPort) 어레이라고 알려진 전극을 개발하여 마비 환자가 생각만으로 로봇팔을 움직이고, 감각을 회복하고, 타이핑할 수 있도록 한다.

이 미세 전극 다발은 개별 뉴런의 신호를 기록할 수 있고 운동 장애에 대한 BCI 응용 프로그램에 사용된다. 유일하게 FDA 승인을 받은 고채널 미세 전극 플랫폼이다. 이미 최대 8년 동안 마비 환자의 뇌 조직에 수술적으로 성공적으로 이식되어 환자의 삶을 변화시키는 응용 프로그램을 만들어 냈다.

 

4. 비침습적 방식의 BCI 활용 사례

1) 생각으로 타이핑

멘탈 스펠러(mental speller)는 식물인간에 가까운 사람의 생각을 문서화하는 장치다.  

한 글자를 몇 초간 바라보면 타이핑이 되며 정확도는 95%나 된다고 한다.

 

2) 범죄 수사에 이용

용의자에게 낯선 장면을 계속 보여주다 중간에 범죄 현장 장면을 끼워 넣으면 진범에게는 그곳을 가본 적 없는 다른 사람들과 다른 뇌파를 보인다. 95%의 정확도를 보인다.

 

3) 집중력으로 놀이

스타워즈 포스 트레이너(Star Wars Force Trainer)는 무선 헤드셋으로 뇌파를 측정하여 집중도가 높을수록 병 속에 든 공이 높이 떠오르게 한다.

 

4) 명상 테크

뮤즈(Muse) 예쁘고 단순한 헤어밴드 형태의 뇌파 측정 기기로 명상할 때 뇌파 상태를 기록해 준다.

캐나다 토론토의 InteraXon 사가 개발했다. 뇌파를 실시간으로 측정하여 디지털 신호로 변환한다. 변환한 신호는 스마트폰이나 컴퓨터에 전송하여, 명상 상태에 대한 실시간 피드백을 사용자에게 제공하는 최초의 기기다. 뇌전도(EEG) 기술을 사용한 장치로 뇌 활동, 심박수, 호흡 및 신체운동 등의 신호를 처리하여, 명상 수행 간에 정신활동을 해석하고 일관된 명상 행위에 도움을 준다.

 

5) BCI 플랫폼- ‘중국 톈진 대학•CEC 클라우드 브레인•스우위쉬 인텔리전스 테크놀로지

3개 기관 공동으로 두피에 전극을 부착해 뇌 신호를 감지하고 이를 컴퓨터에 연결해 주는 헤드셋 형태의 BCI용 오픈 소스 플랫폼 '메타BCI(MetaBCI)'를 개발했다

메타 BCI 플랫폼은 파이썬 언어로 개발해 사용자의 두뇌 의도를 유도, 획득, 분석 및 변환하는 전체 프로세스를 실현할 수 있다. 이 플랫폼은 14개의 BCI 공개 데이터 세트를 지원하며 16개의 데이터 분석 방법과 53개의 뇌-컴퓨터 디코딩 모델을 제공한다.

 

6) 뇌파로 사진 이미지 형성- 네덜란드 라드바우드대학 연구팀

시각적 자극을 받은 뇌를 fMRI 스캔, AI 기술을 활용해 뇌파를 사진 이미지로 바꾸는 기술을 개발했다.
피실험자가 얼굴 이미지를 볼 때 fMRI를 이용해 시력을 담당하는 뇌 영역 뉴런의 활동을 스캔한다. 그런 다음 컴퓨터의 AI 알고리즘에 입력해 fMRI 스캔 정보를 기반으로 정확한 이미지를 구축한다.

연구진은 피실험자들에게 컴퓨터로 생성한 얼굴 사진 세트를 보여주고 fMRI로 시력을 담당하는 뇌 영역에서 뉴런의 활동을 스캔하며 AI 시스템을 훈련했다.
컴퓨터로 생성한 얼굴 사진을 구성하는 각 점에 고유한 숫자 코드를 부여해 AI 시스템이 뇌 신호와 숫자 코드 간의 관계를 학습하게 했다.
새로운 얼굴 사진을 보여주었을 때 AI 시스템으로 각 피실험자의 뇌 신호를 숫자 코드로 다시 변환해 얼굴 사진을 재현해 내는 것이다.

 

7) 재활 장치 전문기업 뉴롤루션스

뉴롤루션스가 개발한 BCI 기반의 재활 기기 '입시핸드(IsiHand)'가 미국 식품의약국(FDA)으로부터 드 노보(De Novo) 승인을 받았다.

드 노보는 새로운 기기에 대한 FDA 승인 절차 중 하나인데, 이번에 처음으로 이 기기에 승인이 내려졌다. 입시핸드는 뇌졸중 환자의 머리에 비침습적 전극을 부착하여 뇌의 활동을 기록하고, 이를 무선으로 태블릿과 로봇핸드에 전송할 수 있다.

이 기기를 이용하면 환자들은 재활훈련을 통해 물체를 잡을 수 있다. 이러한 기술의 발전으로 사고로 손이나 팔을 잃은 환자들도 생각만으로 로봇 의수를 제어할 수 있게 될 것으로 기대된다.

출처: 뉴롤루션스. BCI 기술의 재활 장치 ' 입시핸드 '

8) 신경과학 전문기업 뉴러블

BCI를 지원하는 헤드폰인엔텐(Enten)’을 개발, 출시했다.

이 제품은 비침습적 전극 센서가 생산성이 높은 뇌파의 패턴을 분석해 사람들이 집중력을 최대한 발휘할 수 있도록 시간 관리를 추천하고, 뇌의 피로도가 높아지면 적절한 휴식을 권유한다. 또 자신의 플레이리스트 중에서 뇌의 생산성을 높여주는 음악을 추천해 준다.

또한 스페인 가상현실 그래픽 업체 이스튜디오퓨처와 협력하여 2017년 세계 최초로 BCI 기반 VR 게임 '더 어웨이크닝(The Awakening)'을 개발하여 '시그래프 2017' 전시회에서 주목받았다.
이 기술을 채택한 헤드마운트를 착용하면 가상현실 게임 속에서 게임 컨트롤러 없이 생각만으로 가상 세계의 캐릭터와 싸울 수 있다고 한다.
뉴러블은 이 가상게임의 아케이드 버전 계획도 발표한 바 있다. 이처럼 앞으로는 메타버스와 BCI 기술의 접목도 기대할 수 있다.

9) 뇌파검사 헤드셋- 이모티브(Emotiv)

무선 EEG(뇌파도, 뇌전도) 헤드셋 분야의 선도 기업이다. 최근 유튜브를 보다 보면 한국에서도 활발히 광고를 내보내고 있다. 뇌파를 모니터링하고 수집 데이터를 통찰력 있게 분석하는 데 도움을 주는 성능지표를 제공한다. 과학적 연구, 교육, BCI, 제품 혁신, 소비자 조사, 직장 문화 개선 등에 폭넓게 활용된다.  

 

3. 시사점

사실 일론머스크가 세운 뉴럴링크가 발표하는 연구 성과는 걱정과 혐오감이 들 때가 많았지만 그 외 개발사는 장애/마비 환자에게 희망을 주는 방향이라 긍정적으로 보여진다. 

비침습적 방식의 BCI 기술은 뇌파 연구는 물론 다양한 방식을 더해 향후 미지 영역이 많은 뇌과학이 발전하는 데에도 큰 도움이 될 듯하다. 파생 분야인 뉴로마케팅에 관해서도 포스팅할 계획이다.

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