터치의 미래: BCI 사용자를 위한 인공 감각 강화

빠른 기술 발전은 인간과 기계 사이의 경계를 점점 좁히고 있습니다. 이러한 진보의 최전선에는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)가 있으며, 이는 뇌의 전기 활동과 외부 출력 사이에 직접적인 통신 연결을 생성합니다.

뇌와 컴퓨터 간의 통신을 촉진함으로써, BCI는 신체적 장애인의 능력을 회복하도록 돕습니다. 이는 우리 뇌의 활동을 근육 움직임과 같이 일반적으로 뇌가 제어하는 신체 기능을 대체하거나 향상시킬 수 있는 신호로 변환합니다. 이렇게 BCI는 사람들의 삶의 질을 향상시키는 데 큰 잠재력을 보여줍니다.

약 반세기 동안 개발되어 온 BCI는 수년에 걸쳐 큰 진전을 이루었으며, 연구자들은 이제 이 기술이 마비, 운동 장애, 언어 장애, 그리고 정신분열증 증상을 가진 사람들의 능력을 효율적으로 회복할 수 있음을 보여주고 있습니다.

연구에 따르면 BCI를 사용하면 장애인들이 잃어버린 촉각 감각을 경험할 수 있다고 합니다. 그러나 이러한 촉각 감각은 아직 완벽하지 않으며, 서로 다른 질감이나 온도를 가진 물체 사이에서도 비슷하게 느껴집니다. 이제 과학자들은 직관적인 촉각을 만들기 위해 연구하고 있습니다.

촉각은 우리 삶의 필수적인 부분으로, 다른 사람과 연결할 뿐만 아니라 물체를 잡고 걸을 수 있게 도와줍니다. 시카고 대학의 신경과학자 찰스 그린스폰에 따르면:

“대부분의 사람들은 시각보다 촉각에 얼마나 많이 의존하는지 깨닫지 못합니다. 감각이 없으면 무언가를 할 때마다 손을 계속 바라봐야 하고, 여전히 물건을 쏟거나 부수거나 떨어뜨릴 위험이 있습니다.”

보조 사지에서 감각을 회복하기 위해, 연구자들은 해당 기능을 담당하는 뇌 영역에 작은 전극 배열을 삽입합니다.

이는 참가자들이 움직임을 생각하기만 하면 로봇 팔이 움직이고, 그 팔에 부착된 센서가 촉각을 담당하는 뇌 영역에 전기 펄스를 발생시켜 사지를 움직일 수 있게 합니다. 과학자들이 촉각을 유발할 수 있었지만, 그 감각은 다소 약하고 접촉이 실제로 어디에서 일어났는지 정확히 위치를 파악하기 어려웠습니다.

하지만 이제 최신 연구에서는 뇌-컴퓨터 인터페이스 사용자가 화면에 표시된 다양한 물체에 대한 고유한 촉각 경험을 설계하고, 오직 감각만으로 물체를 어느 정도 정확하게 추측하도록 했습니다.

보조기기에 감각 피드백을 통합하는 데 직면한 도전 과제

피츠버그 대학교 의과대학 연구진은 사지 마비 환자를 위한 BCI 개발에 더 가까워지게¹, 사지 마비(사지 마비)라고도 하는 상태에서 손실된 촉각을 회복할 수 있게 하는 획기적인 성과를 이루었습니다.

사지 마비는 누군가가 팔과 다리, 때로는 몸통까지 움직임을 잃는 상태이며, 일반적으로 경추 척수 손상, 뇌졸중 또는 기타 신경학적 손상으로 인해 발생합니다.

이 손상은 뇌가 촉각과 같은 감각 정보를 수신하고 처리하도록 하는 신호를 방해하여, 환자가 해당 사지에서 감각을 잃게 만듭니다.

보조기구는 인공 사지를 제공하여 잃어버린 기능을 대체하지만, 실제 사지와 마찬가지로 촉각을 제공해야만 완전한 복원이 가능합니다. 기존 인공 사지는 주로 움직임 복원에 초점을 맞추었으나, 기술 발전으로 센서와 전기 자극을 이용해 촉각을 구현할 수 있게 되었습니다.

사지의 손실된 기능을 완전히 회복하려면, 장치는 인간의 지각과 행동을 연결하는 기존의 감각운동 시스템과 원활히 통합되어야 합니다.

이를 달성하기 위해 촉각 피드백은 핵심적인 중요성을 갖습니다. 이 형태의 감각 상호작용은 물리적 촉각 경험에 관한 것입니다.

이러한 피드백을 제공하는 유망한 방법은 체감각 피질에 대한 뇌내 전극 미세자극(ICMS)이며, 이는 마비된 사지에 국소적인 감각을 유발할 수 있습니다. 촉각 정보를 직접 뇌에 전달함으로써, ICMS는 고위 절단이나 척수 손상을 가진 사람들에게 매력적인 옵션이 됩니다.

하지만 이를 달성하는 것은 쉽지 않으며, 촉각의 신경 처리에 대한 이해가 제한적이고 하드웨어 제한으로 인해 신경 반응을 자연스럽게 재현하기 어렵습니다. 또한 자극 파라미터 공간이 복잡하고, 인공 감각의 현실성을 측정한 보고서는 편향될 가능성이 높고 해석이 어렵습니다.

촉각의 위치와 강도는 신경 자극을 통해 신뢰성 있게 전달될 수 있지만, 보다 복잡한 자연스러운 감각을 개발하는 데는 광범위한 자극 공간을 효과적으로 스캔하는 기술과 지각 품질을 분석하는 방법이 부족합니다.

ICMS의 심리물리학을 탐구한 대부분의 연구는 한 번에 하나의 자극 파라미터만 조작했습니다. 대부분의 연구는 감각을 언어로 표현할 수 없는 비인간 영장류를 대상으로 수행되었습니다.

따라서 ICMS를 통해 유발된 감각의 품질을 탐색할 보다 효율적인 방법이 필요합니다.

따라서 최신 연구에서는 피츠버그와 시카고 대학 간의 협업을 통해 복잡하고 자연스러운 감각을 만드는 데 직면한 도전을 해결하는 인터페이스를 제시했습니다.

연구는 궁극적으로 일상 생활에서 폐쇄 루프 BCI를 사용할 사람들을 기대하면서, ICMS 유발 감각의 기능적 사용 및 경험을 조사하는 것이 중요하다고 지적했습니다.

하지만 이러한 연구에 참여할 수 있는 참가자 표본은 제한적입니다. 체감각 및 운동 피질에 양방향 뇌내 임플란트를 가진 사람은 약 일곱 명에 불과하며, 연구에는 그 중 세 명이 포함되었습니다.

BCI 사용자가 감각 경험을 정의하도록 권한 부여

과학자들이 만든 인터페이스는 사지 마비를 가진 남성 세 명이 가상 물체에 대한 감각을 설계하는 데 사용되었습니다.

인공 촉각 감각은 고양이, 사과, 열쇠, 수건, 그리고 토스트 조각과의 상호작용을 나타내도록 설계되었습니다. 이러한 물체는 친숙함, 쾌감, 온도, 미세 및 거친 질감, 습기, 마찰, 탄성 등 다양한 촉각 차원을 제공하기 위해 선택되었습니다.

참가자들은 남아 있는 왼손 기능을 사용해 태블릿 인터페이스와 상호작용했으며, 이는 손바닥 표면에 “촉각” 감각을 생성했습니다.

인공 촉각을 통해 물체를 탐색하면서, 참가자들은 사과의 차가운 둥근 느낌, 문 열쇠의 부드럽고 단단한 표면, 고양이의 따뜻한 털을 묘사했습니다. 이는 이전 실험에서 인공 촉각이 주로 따끔거리거나 윙윙거리는 느낌으로, 물체마다 차이가 거의 없던 것과 완전히 달랐습니다.

이 실험이 이전 연구와 차별화된 점은 참가자들이 스스로 자극을 제어하고 시각적으로 제시된 물체를 적극적으로 탐색할 수 있었다는 것입니다.

시각과 탐색이 없는 수동 자극에서는 사람들은 보통 압력이나 진동과 같은 피부 수준의 감각을 보고합니다. 이는 참가자들의 주의가 몸에 집중되기 때문입니다.

반면, 능동 탐색에 참여한 참가자들은 외부 세계에 집중하는 경향이 있어, 동일한 지각을 물체 지향적인 거칠음과 같은 감각으로 해석합니다. 이것이 최신 연구 참가자들이 보다 물체 지향적인 감각 기술자를 자발적으로 보고한 이유일 수 있습니다.

태블릿에 표시된 물체를 “만지면서” 자극 제시를 제어할 수 있는 참가자들의 이 능력은 보다 현실적인 실험 맥락을 만들었습니다. 여기서 경험된 감각은 의미 있는 맥락 없이 실험자가 주도한 자극의 결과가 아니라, 목표 지향적인 탐색 움직임에 의해 생성되었습니다.

과학자들은 기본적으로 BCI 사용자가 전기 자극의 세부 사항을 직접 제어하도록 함으로써, 인공 촉각을 보다 직관적으로 느낄 수 있게 했습니다. 피츠버그 리햅 뉴럴 엔지니어링 랩의 전 포스트닥 연구원이며 현재 텍사스‑서던웨스턴 대학교 신경외과 및 생물의공학 조교수인 세시 베르바르쇼트는 다음과 같이 말했습니다:

“촉각은 비언어적 사회적 의사소통의 중요한 부분이며, 개인적이고 많은 의미를 담고 있는 감각입니다.”

그녀는 덧붙였습니다:

“자신만의 감각을 설계함으로써 BCI 사용자는 물체와의 상호작용을 보다 현실적이고 의미 있게 만들 수 있으며, 이는 사용하기에 쾌적하고 직관적인 신경보철을 만드는 데 한 걸음 더 다가가게 합니다.”

신경 입력만으로 감각 현실 재구성

연구 기간 동안 완벽한 촉각을 찾기 위해, 과학자들은 BCI 참가자들에게 먼저 토스트, 수건, 열쇠, 사과, 혹은 고양이를 만지는 느낌과 유사한 자극 파라미터 조합을 찾도록 요청했습니다.

그동안 참가자들은 디지털로 제시된 물체를 탐색했습니다. 연구 참가자들은 물체를 생생하게 묘사했으며, 이는 주관적이었습니다. 예를 들어, 한 참가자는 고양이를 실키하고 부드럽다고 설명했으며, 다른 참가자는 탭핑하고 따뜻하다고 설명했습니다. 그런 다음 이미지를 제거하고, 오직 자극만을 사용해 물체를 인식해야 했습니다.

BCI 사용자를 위한 “만지는” 경험을 시뮬레이션하기 위해, 연구는 세 개의 전극을 순차적으로 자극했습니다. 각 전극은 물체의 서로 다른 영역과 접촉함에 따라 손의 인접 부위에 감각을 유발했습니다.

참가자들은 시각적 단서 없이 5개 물체 중 하나를 35%의 정확도로 정확히 식별했으며, 이는 우연보다 크게 높지만 여전히 개선이 필요합니다. 그러나 촉각 특성이 더 많이 공유되는 물체 사이에서는 두 감각 간 혼동이 증가했습니다.

“우리는 달을 목표로 연구를 설계했고 궤도에 올렸습니다. 참가자들은 촉각 감각만으로 물체를 구별하는 매우 어려운 과제를 수행했으며, 꽤 성공적이었습니다.”

– 피츠버그 대학 물리 의학 부교수 로버트 가운트 박사

가운트는 실수조차도 “예측 가능”했으며, 부드러운 수건과 고양이를 구별하기가 더 어렵고, 고양이와 열쇠 사이의 혼동은 덜했다고 지적했습니다.

전반적으로, 연구는 참가자들이 넓은 파라미터 공간이라는 도전적인 환경에서도 뚜렷한 물체 감각을 만들 수 있다는 점에서 유망하다고 평가했습니다.

연구는 체감각 피질의 미세자극이 다양한 유형의 물리적 특성을 가진 직관적인 지각을 자극할 수 있다고 결론지었습니다. 보다 복잡한 자극은 “사람들이 인공적으로 인식한 물체를 더 높은 정밀도와 직관성으로 구별할 수 있는 더 큰 지각 공간을 열어준다”고 밝혔습니다.

이는 개인의 고유한 감각 세계와 원활히 융합되는 인공 사지를 만드는 데 중요한 단계입니다.

BCI에서 인공 촉각 정교화에 대한 관심 증가

BCI 분야에서는 현재 촉각을 보다 직관적으로 만드는 데 초점이 점점 커지고 있습니다. 올해만 해도 여러 연구진이 로봇 보조 팔과 BCI를 통해 운동 제어와 촉각을 복원하는 데 진전을 이루었습니다.

신경과학자 그린스폰과 그의 팀은 전기 자극된 촉각 감각이 정확히 국소화되고, 안정적이며, 일상 사용에 충분히 강력하도록 보장하는 데 초점을 맞추어 인공 사지에서 자연스러운 촉각을 만드는 현재의 한계를 해결했습니다.

이를 위해 그들은 촉각 중심에 개별 전극에 짧은 펄스를 전달했습니다. 그런 다음 참가자들은 각 감각의 위치와 강도를 보고했으며, 이는 특정 신체 부위에 대한 뇌 영역의 포괄적인 지도를 만드는 데 도움이 되었습니다.

테스트 결과, 두 개의 근접 전극을 동시에 자극하면 참가자들이 더 강하고 명확한 촉각을 느꼈습니다.

보완 논문은 겹치는 감각 위치를 가진 전극 클러스터를 배치하여 인공 촉각을 보다 직관적이고 몰입감 있게 만드는 작업을 수행했습니다. 이는 참가자들이 작은 이산 단계의 자극에도 불구하고 부드럽게 미끄러지는 촉감이라고 묘사한 감각을 생성했습니다.

전극을 순차적으로 활성화하면 참가자들이 복잡한 형태를 구별하고 물체 변화에 반응하는 능력이 향상되어, 인공 피드백을 자연 촉각의 복잡하고 정밀한 능력에 더 가깝게 만들었습니다.

“우리는 뇌 제어 바이오닉 사지를 사용하는 참가자를 위해 방향, 곡률, 움직임 및 3D 형태와 관련된 촉각 감각을 전달했습니다. 이제 우리는 인공 촉각의 또 다른 단계에 있습니다. 이러한 풍부함은 인간 손이 가진 수준의 손재주, 조작 및 고차원 촉각 경험을 달성하는 데 필수적이라고 생각합니다.”

– 칼머스 공과대학 부교수 지아코모 발레

한편, 독일 막스 플랑크 지능형 시스템 연구소의 과학자들은 진정 촉감, 피부 압박, 넓은 주파수 대역의 진동 등 표현적인 촉각을 전달할 수 있는 착용형 장치를 개발했으며, 이는 현재 장치의 한계를 넘어섭니다.

촉각 감각을 확장하기 위해, 그들은 전압을 시간에 따라 변화시켜 다양한 종류의 촉감을 전달할 수 있는 전기 구동 피부 전기유압(CUTE) 착용형 장치를 개발했습니다.

“우리의 CUTE 장치는 가볍고 쾌적하며 표현적인 촉각 커뮤니케이션을 제공하는 웨어러블 시스템을 만들 수 있음을 입증합니다. 향후 개발은 이 기술을 신체의 더 넓은 부위에 적용하여 보다 복잡한 감각을 생성하고, 이전에 만들기 어려웠던 촉각 단서에 대한 인간 인식을 연구하는 데 활용될 수 있습니다.”

– MPI‑IS 박사과정 학생 나탈리아 산체스

뇌-컴퓨터 인터페이스 분야에 투자하기

뇌-컴퓨터 인터페이스를 개발하는 대부분의 기업은 아직 비상장 기업이어서 일반 투자자들이 접근하기 어렵습니다. ClearPoint Neuro (CLPT ) 는 몇 안 되는 공개 기업 중 하나이며, 자체적으로 BCI를 구축하지는 않지만, MRI 유도 수술 도구가 이미 병원에서 신경 장치를 이식하는 데 사용되고 있습니다. 이는 분야를 뒤에서 밀어주는 역할을 하며, 공개 시장을 통해 이 분야에 투자할 수 있는 드문 기회를 제공합니다.

ClearPoint Neuro Inc.

ClearPoint Neuro는 유전자 치료를 가능하게 하는 기업으로, 뇌와 척추에 정밀하게 네비게이션하는 기술을 전문으로 합니다. 뇌에 장치를 정밀하게 배치할 수 있는 플랫폼을 제공함으로써, 이 기술은 BCI 시스템 개발 및 구현에 중요한 역할을 하며 그 적용을 촉진합니다.

전 세계 50개 이상의 바이오제약 파트너와 75개 이상의 신경외과 센터와 협력하고 있어, ClearPoint는 이 신흥 산업에서 성장할 좋은 위치에 있습니다.

시가총액 3억 8,700만 달러인 이 회사의 주가는 현재 13.86달러이며, 올해 현재까지 9.75% 하락했습니다. EPS(TTM)는 -0.70이며 P/E(TTM)는 -19.68이고, 주주에게 배당금은 제공되지 않습니다.

2024년 매출은 3,140만 달러로, 전년 대비 31% 증가했으며, 10년 연속 성장해 왔습니다. 이 기간 동안 매출 총이익률은 61%로 전년 대비 4% 상승했습니다.

CEO 조 번넷은 “가장 강력한 재무 및 전략적 성과”라며 “우리는 ClearPoint가 다음 단계, 즉 ‘Fast. Forward’라 부르는 단계에 진입했다고 생각한다”고 말했습니다.

10백만 달러 전환 사채를 조기에 상환한 후, 연말에 부채가 없었으며, 이 기간 동안 현금 소모는 9백만 달러로 2023년 대비 35% 감소했습니다. 2024년 12월 31일 기준 현금 및 현금성 자산은 2,010만 달러였습니다.

가장 최근에, 이 회사는 MRI용 ClearPoint Prism Neuro Laser Therapy System의 사용 확대를 위해 FDA에 신청했으며, 이는 현재 접근이 어려운 미국 간질성 열치료(LITT) 시장을 열 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

Clearpoint Neuro Inc. 최신 소식

결론

뇌 활동을 직접 해석해 움직임이나 환경 제어 의도를 판단하는 능력을 통해, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 특히 장애인들이 기술 및 주변 세계와 상호작용하는 방식을 혁신할 거대한 잠재력을 보여줍니다. BCI는 기본적으로 사용자가 생각만으로 장치를 제어할 수 있게 합니다.

피츠버그 의대의 이번 연구는 사용자가 자신만의 촉각 환경을 만들 수 있게 함으로써, 단순히 기능을 복원하는 단계에서 경험을 복원하는 단계로 중요한 전환을 의미합니다. 이는 보조기구가 단순한 도구를 넘어 실제로 자아의 연장선이 될 수 있음을 보여줍니다.

이는 아직 시작 단계이며 개선 여지가 많습니다. 그러나 BCI 시스템이 진화함에 따라 인공 감각과 생물학적 감각 사이의 경계는 점점 흐려지고, 그와 함께 우리의 인식, 상호작용, 그리고 의식 자체를 재정의할 고도화된 능력이 등장할 것입니다.

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참조 연구:

1. Verbaarschot, C., Karapetyan, V., Greenspon, C. M., Cramer, A., van der Kouwe, A., Wendelken, S., … & Andersen, R. A. (2025). Conveying tactile object characteristics through customized intracortical microstimulation of the human somatosensory cortex. Nature Communications, 16, 4017. https://doi.org/10.1038/s41467-025-58616-6