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뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 혁신: 장애인의 능력 회복과 번영을 돕다
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기술 발전이 매우 빠른 속도로 진행되어 장애인들이 이제는 단지 생각만으로 말하고, 걸으며, 게임을 하고, 훨씬 더 많은 일을 할 수 있게 되었습니다.
이 발전은 추진되었습니다 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술의 진보. BCI는 개인이 생각만으로 컴퓨터와 같은 외부 장치를 제어할 수 있게 합니다. 이러한 인터페이스는 뇌 신호를 획득하고, 분석하며, 이를 명령으로 변환하여 출력 장치에 전달될 수 있도록 전달합니다.
BCI는 뇌졸중, 신경퇴행, 척수 손상과 같은 질환으로 잃어버린 기능을 회복시켜 장애인을 돕는 등 다양한 적용 분야를 가지고 있습니다. 시각, 언어, 운동 기능과 같은 능력을 복원함으로써 BCI는 인간 능력을 향상시킬 잠재력을 보여줍니다.
뇌에서 신호가 어떻게 획득되는지에 따라, 뇌-컴퓨터 인터페이스는 다음과 같이 구분될 수 있습니다:
- 침습형, 전극이 직접 피질에 이식되는 경우
- 반침습형, 전극이 뇌의 노출된 표면에 배치되는 경우
- 비침습형, 전극이 두피에 배치되는 경우
지난 10년간 BCI 기술의 연구와 개발이 크게 성장했습니다. 최근의 진보는 중증 마비 환자들이 뇌 신호를 텍스트로 변환하여 의사소통하고, 의수·의족 또는 근육을 다시 제어할 수 있게 했습니다. 또한 BCI는 기억력 향상, 학습 강화, 정신 건강 문제 해결을 위해 탐구되고 있습니다.
BCI 분야에서 많은 일이 진행되고 있는 만큼, 과학자들이 최근 이룬 인간 능력을 크게 향상시킬 잠재력을 가진 최신 혁신들을 살펴보겠습니다.
높은 정확도로 언어 능력 복원
이번 달에 발표된 연구에서, 연구원들은 새로운 BCI를 개발했으며, 이 BCI는 뇌 신호를 언어로 변환하고 최대 97%의 정확도를 달성했으며, 이는 동종 시스템 중 가장 높은 정확도 중 하나입니다.
센서는 루게릭병(ALS)으로 인해 심각하게 언어가 손상된 45세 남성 케이시 하렐의 뇌에 이식되었습니다. 루게릭병은 신경 세포가 전신의 움직임을 제어하는 기능에 영향을 주어 걷기, 서기, 말하기 능력이 점진적으로 상실되는 신경 질환입니다.
하렐이 BrainGate 임상 시험에 참여했을 때, 그의 언어는 알아듣기 어려웠으며 다른 사람들이 해석을 도와야 했습니다. 그러나 BCI 시스템을 활성화한 지 몇 분 만에 그는 의도한 말을 전달할 수 있게 되었습니다.
UC Davis Health는 언어로 의사소통이 불가능한 신경계 질환 환자를 위해 이 새로운 BCI 기술을 개발했습니다.
사용자가 말을 시도하면, 새로운 시스템은 뇌 신호를 해석하여 텍스트로 변환하고, 그 텍스트를 컴퓨터가 소리 내어 ‘말하게’ 합니다.
“우리의 BCI 기술은 마비된 남성이 친구, 가족, 그리고 돌보는 사람들과 의사소통할 수 있도록 도왔습니다.”
– David Brandman, 연구 공동 1인 저자 겸 공동 책임 연구자이며 UC Davis의 신경외과 의사
그는 또한 이번 실험이 “지금까지 보고된 가장 정확한 언어 신경보철(장치)”을 입증했다고 덧붙였습니다.
Brandman은 UC Davis 신경외과 조교수이자 UC Davis 신경보철 연구소 공동 책임자이기도 하며, 지난해 7월에 BCI 장치를 이식했습니다. 네 개의 마이크로전극 어레이가 언어 조정에 관여하는 뇌 영역인 좌측 전중회에 이식되었으며, 이 어레이는 256개의 피질 전극을 사용해 뇌 활동을 기록합니다.
이 장치를 통해 환자가 근육을 움직이거나 말을 시도하는 것이 감지됩니다.
“우리는 근육에 명령을 보내려는 뇌 부위에서 기록하고 있습니다. 그리고 기본적으로 그 신호를 청취하고, 뇌 활동 패턴을 음소—예를 들어 음절이나 언어 단위—로 변환한 뒤, 그들이 말하려는 단어로 변환합니다.”
– 신경과학자 Sergey Stavisky, 연구 공동 책임자이자 신경외과 조교수이며 UC Davis 신경보철 연구소 공동 책임자
BCI 기술은 지난 수년간 크게 발전했지만, 의사소통을 가능하게 하는 노력은 느리고 단어 오류가 빈번했습니다. 이는 뇌 신호를 해석하는 머신러닝 프로그램이 많은 시간과 데이터를 필요로 하기 때문입니다.
새 시스템은 사용자가 일관되게 이해되기 어렵게 만드는 의사소통 장벽을 제거하는 것을 목표로 합니다.
“우리의 목표는 사용자가 말하고 싶을 때마다 이해될 수 있는 시스템을 개발하는 것이었습니다.”
– Brandman
환자는 자발적 대화와 유도된 대화 상황 모두에서 시스템을 사용했습니다. 두 경우 모두 속도 디코딩은 실시간으로 이루어졌으며 지속적인 업데이트로 정확하게 작동했습니다. 디코딩된 단어는 화면에 표시되고 컴퓨터에 의해 소리 내어 읽혔습니다.
소리 내어 읽는 목소리는 실제로 환자가 ALS에 걸리기 전의 목소리였습니다. 이를 위해 연구진은 환자의 ALS 이전 음성 샘플을 사용해 훈련된 소프트웨어를 활용했습니다.
첫 번째 음성 데이터 훈련 세션은 30분 만에 50단어 어휘에서 99.6%라는 인상적인 단어 정확도를 달성했습니다. 다음 세션은 추가로 1.4시간의 훈련 데이터를 사용해 125,000단어 어휘에서 90.2%의 정확도를 얻었습니다. 지속적인 데이터 수집을 통해 BCI는 97.5%의 정확도를 유지했습니다.
Brandman에 따르면, 이 임플란트를 가진 사람이 말하는 내용을 약 97% 정확도로 디코딩하는 능력은 “사람의 목소리를 해석하려는 많은 상용 스마트폰 앱보다 뛰어납니다.”
연구는 32주에 걸쳐 84회의 데이터 수집 세션을 진행했습니다. 환자는 비디오 채팅과 직접 대면을 통해 248시간 이상 BCI를 사용해 의사소통했습니다.
독특한 BCI 시스템으로 의사소통 및 이동성 향상
지난 몇 달간 또 다른 큰 발전은 카네기 멜론 대학교에서 이루어졌으며, 연구원들은 양방향 BCI 기능을 달성했습니다. 이 성과는 인터페이스가 뇌 신호를 해석하고 감각 피드백을 직접 뇌에 전달하는 능력을 향상시킵니다.
대학의 생물의공학 교수인 Bin He와 그의 팀은 초음파 집중 자극을 통합하여 최초로 이중 의사소통을 구현하는 데 성공했습니다.
25명의 인간 피험자를 대상으로 한 연구에서, 양방향 BCI는 머신러닝을 사용해 뇌파를 인코딩하고 디코딩했습니다. 이 개발은 목표 신경 회로를 자극함으로써 비침습 BCI의 신호 품질과 전반적인 성능을 크게 향상시킬 잠재력을 가지고 있습니다.
비침습 BCI 기술은 안전하고 저렴하지만, 뇌 내부가 아닌 두피 위에서 신호를 기록한다는 점과 신호 품질에 제한이 있습니다.
따라서 카네기 멜론 대학 팀은 비침습 BCI의 효율성을 향상시키기 위해 노력해 왔습니다. 이는 딥러닝 접근법을 사용해 사용자의 생각을 디코딩하고 로봇 팔이나 커서를 제어하도록 하는 데 이어졌습니다. 최신 연구에서는 정밀 비침습 신경조절을 위해 초음파 집중을 사용했으며, 그 결과 EEG 기반 BCI 의사소통 성능이 크게 향상되었습니다.
연구의 인간 피험자들은 BCI 스펠러를 사용했으며, 이는 비언어 사용자가 “Carnegie Mellon”과 같은 구문을 전달하고 철자하는 데 일반적으로 사용되는 시각적 움직임 보조 도구입니다.
연구에서 피험자들은 EEG 캡을 착용하고 원하는 단어의 글자를 바라보는 것만으로 EEG 신호를 생성했습니다.
연구자들은 시각 피질의 일부인 뇌 V5 영역에 초음파 빔을 적용함으로써, 피험자들의 비침습 BCI 성능을 크게 향상시킬 수 있었습니다.
“BRAIN Initiative는 시작 이래 60개가 넘는 초음파 프로젝트를 지원해 왔습니다. 비침습 기록 및 조절 기술의 이 독특한 적용은 도구 상자를 확장하며, 의사소통 장애를 가진 사람들을 돕는 데 잠재적으로 확장 가능한 영향을 미칠 수 있습니다.”
– Dr. Grace Hwang, NIH BRAIN Initiative 프로그램 디렉터
그러나 또 다른 큰 발전은 지난해에 나타났으며, 척수 손상을 입은 마비된 남성이 단순히 서는 것뿐만 아니라 자연스럽게 걸을 수 있게 했습니다. 이 뇌-척수 인터페이스는 Physics World 2023 올해의 돌파구상을 수상했습니다.
이 시스템은 두 개의 완전 이식형 장치를 포함했으며, 하나는 다리 움직임과 관련된 뇌 활동을 기록하고 다른 하나는 척수를 전기적으로 자극해 다리 근육을 제어했습니다. 이는 ‘디지털 브리지’를 만들어 팔과 다리가 마비된 개인이 걸을 수 있게 했습니다.
뇌에서 나온 ECoG 신호는 두개골 두께와 동일한 티타늄 케이스에 내장된 64채널 전극 그리드를 사용해 모니터링되었습니다.
이 기술은 피질 표면에서 뇌 활동을 기록할 수 있는 독특한 이식형 의료기기인 WIMAGINE을 기반으로 개발되었습니다. 또한 환자의 움직임 의도를 실시간으로 디코딩하기 위한 전용 AI 알고리즘이 개발되었습니다.
장치 임상 시험에서, 10년 전 자전거 사고로 불완전한 경추 척수 손상을 입은 38세 남성에게는 뇌에 두 개의 장치가 외과적으로 이식되고 요추 척수에 패들 리드가 삽입되었습니다.
BSI를 사용함으로써 환자는 계단을 오르고, 장애물을 피하며, 변화하는 지형을 탐색할 수 있었습니다. 또한 BSI는 1년 이상 감독 없이도 안정적이고 신뢰할 수 있었습니다.
하지만 BCI 장치의 안전성은 어떨까요?
이러한 모든 진전 속에서, 신경 데이터 처리와 뇌 해킹, 오해를 일으키는 자극 공격과 같은 사이버 보안 위협에 대한 많은 우려가 제기되었습니다. 또 다른 큰 우려는 뇌-컴퓨터 인터페이스의 안전성 프로파일에 관한 것입니다.
침습형 BCI의 경우 뇌 감염, 조직 손상, 발작, 출혈 및 출혈 위험이 발생합니다. 반면 비침습형 BCI는 장시간 전자기장에 노출될 경우 두통, 눈 피로, 피부 자극을 일으킬 수 있습니다.
이러한 우려는 타당하지만, 브라운 대학교 연구자들의 연구는 BrainGate 기술을 테스트한 임상 시험의 거의 20년간 안전 데이터를 분석한 결과 부작용 발생률이 낮다는 것을 발견했습니다.
BrainGate BCI는 20년 이상 개발되어 왔으며, 최신 연구는 이 신경기술이 마비 환자들이 움직임에 대한 생각을 실제 행동으로 전환하고 상실된 신경 기능을 회복하도록 돕는 잠재력을 지속적으로 평가해야 한다고 결론짓습니다.
브라운 대학교의 뇌 과학 교수이자 BrainGate 학술 컨소시엄의 개발 및 테스트를 이끄는 이사인 Dr. Leigh R. Hochberg에 따르면:
“현재 진행 중인 가장 큰 피질내 뇌-컴퓨터 인터페이스 시험에서 오늘 보고된 중간 안전성 프로파일은 이러한 시스템이 마비 환자를 위한 회복형 신경기술이 될 가능성을 뒷받침합니다.”
피질내 BCI가 이동성과 커뮤니티 복원에 큰 잠재력을 보여주지만, Hochberg는 이러한 진보가 실제 환자 치료로 이어지려면 “장치가 허용 가능한 낮은 위험 수준을 동반하는지 여부”에 달려 있다고 말했습니다.
안전성 보고서는 ALS, 척수 손상 또는 뇌간 뇌졸중으로 인한 사지 마비를 가진 18~75세 참가자 14명을 대상으로 12,200일이 넘는 안전 데이터를 평가했습니다.
2004년부터 2021년 사이에 이 환자들이 시험에 등록된 기간 동안, 장치와 관련된 68건의 부작용이 발견되었습니다. 피부 자극이 가장 흔한 문제였으며, 장치의 작은 부분에서 발생했습니다.
6건의 부작용은 외과적 절차와 연관된 것으로 밝혀졌으며, 외상성 뇌손상 이력이 있는 두 참가자는 수술 후 일시적인 발작을 겪었지만 쉽게 치료되었습니다.
부작용이 있었음에도 기록된 사건들은 예상 밖이 아니었으며, 또한 이러한 부작용이 신경계 감염으로 이어져 장치 제거가 필요하거나 영구적인 장애 악화를 초래한 경우는 없었습니다.
BrainGate 신경 인터페이스 시스템의 안심할 만한 안전성 결과는 큰 진전이었지만, 장치가 완전 이식되고 24시간 언제든지 사용 가능하도록 보장하는 등 남은 과제가 많이 있습니다.
BCI 분야에서 눈에 띄는 기업들
Synchron, Blackrock Neurotech, Kernel, Emotiv 등은 이 기술을 발전시키고 의료, 인지, 엔터테인먼트 분야에서의 적용을 탐구하는 다수 조직 중 일부입니다.
이들 기업 대부분은 비상장 기업이며, 이 분야에서 활발히 활동하는 상장 기업은 드뭅니다. 상장된 경우는 대기업의 일부이기 때문입니다. 예를 들어, 비침습 BCI 장치를 개발한 NextMind는 Snap Inc. (SNAP ) 에 인수되었습니다. 또 다른 사례로, 신경 인터페이스 스타트업인 Ctrl-labs는 Meta(전 Facebook)에 인수되었습니다.
그럼, BCI 기술 최전선에 있는 주요 기업들을 살펴보겠습니다:
#1. Neurable
Neurable는 뇌 신호 번역 및 BCI 기술을 위한 AI 기반 도구를 개발하는 신경기술 기업입니다. 2024년 5월, 이 회사는 1,300만 달러를 모금했으며, 설립 이래 총 모금액이 3,000만 달러를 넘어섰습니다. 2019년 말, Neurable는 시리즈 A 라운드에서 600만 달러를 모금해 VR 응용 분야를 넘어 비침습 BCI를 개발했으며, 이는 세계 최초의 마인드 컨트롤 VR 게임을 공개한 지 2년 후였습니다.
현재, 새로운 자금 라운드와 함께, 회사는 기술을 “모두가 접근할 수 있게” 만들겠다고 CEO Dr. Ramses Alcaide가 말했으며, 덧붙였습니다:
“우리는 개인이 자신의 마음을 이해하고, 인간 성능을 최적화하며, 우리 세대의 가장 시급한 건강 과제를 정복하도록 돕고 있습니다.”
#2. Precision Neuroscience
이 회사는 최근 인간 뇌에 4,096개의 전극을 배치해 피질 데이터를 기록하는 세계 기록을 세웠습니다. 이 개발은 Precision Neuroscience가 Layer 7 피질 인터페이스를 테스트하는 과정의 일환이었습니다. 이 성과는 회사가 “뇌를 훨씬 더 깊이 이해하는 데” 도움이 될 것으로 기대됩니다.
Precision Neuroscience는 Neuralink를 공동 설립했지만 안전 문제를 이유로 떠난 신경외과 의사 Benjamin Rapoport에 의해 설립되었습니다.
#3. Neuralink
Elon Musk가 설립한 Neuralink는 미국 기반의 비상장 기업으로, 신경 질환 치료와 궁극적으로 인간 인지 능력 향상을 위한 고대역폭 BCI를 개발하고 있습니다. 회사의 핵심은 다수의 뉴런을 읽고 자극할 수 있는 이식형 장치를 만드는 것입니다.
최근에는 첫 번째와 달리 뇌에 완전히 부착된 상태를 유지하는 두 번째 Neuralink 뇌 칩을 가진 사람이 이 임플란트를 사용해 인기 비디오 게임 Counter-Strike 2를 플레이했습니다. 이 칩은 지난 달에 이식되었으며, 환자는 “원활한” 회복을 보였다고 보고되었습니다. 환자는 척수 손상으로 사지 통제력을 잃었습니다.
이 발전은 첫 번째 환자에게서 전극의 85%가 뇌에서 이동했음에도 불구하고 임플란트를 효과적으로 사용할 수 있었던 이후에 일어났습니다. 회사는 문제를 피하기 위해 일부 완화 조치를 줄였으며, 현재까지 실(스레드) 철수가 관찰되지 않았습니다.
Lex Fridman 팟캐스트에 최근 출연한 동안, Musk는 칩으로 강화된 뇌를 가진 인간이 프로 비디오 게임 선수를 이기는 것이 이제는 멀지 않은 일이라고 예측했습니다. 미래에 대해 이야기하면서, Musk는 Neuralink의 장기 목표가 AI와 인간의 공생을 개선하고 개인의 대규모 의사소통 능력을 향상시키는 것이라고 말했습니다.
결론
BCI 기술은 지난 몇 년간 많은 관심과 모멘텀을 얻고 있으며, 이 발전은 둔화될 기미가 없습니다. 실제로 새로운 기록과 혁신이 지속적으로 이루어지고 있으며, 이는 장애인의 삶을 더욱 풍요롭게 할 뿐만 아니라 건강한 인간의 능력을 향상시킬 잠재력도 보여줍니다.
현재 이 기술을 구현하는 길은 아직 멀지만, 지속적인 진전은 한때 과학 소설에만 존재하던 것이 곧 현실이 될 수 있음을 보여줍니다.
