뇌-컴퓨터 인터페이스, 마비 환자에게 이전 불가능했던 수준의 자율성 회복 돕다¶
원제목: Engineers, neurosurgeons help restore autonomy for people with paralysis
핵심 요약
- 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술이 음성 인식에서 컴퓨터 커서 제어까지 확장되었음을 보여주고 있음.
- 마비 환자가 생각만으로 컴퓨터 커서를 조작하고 클릭할 수 있게 되어 독립적인 활동 반경을 넓혔음을 시사함.
- 이번 연구는 향후 더욱 풍부한 기능을 갖춘 BCI 개발 및 마비 환자의 삶의 질 향상에 크게 기여할 것임을 전망함.
상세 내용¶
캘리포니아 대학교 데이비스(UC Davis)와 UC Davis Health의 엔지니어, 신경과학자, 신경외과 의사로 구성된 연구팀이 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 활용하여 마비 환자에게 획기적인 수준의 자율성을 회복시킬 수 있음을 세계 최초로 입증했습니다. 이번 연구는 뇌 신호를 음성으로 변환하는 BCI 기술이 컴퓨터 커서 제어까지 가능하게 한다는 사실을 밝혀내며, 향후 마비 환자들이 이전에는 상상하기 어려웠던 수준의 기능을 회복할 수 있는 길을 열었습니다. "멀티모달 BCI의 미래 단계에는 음성뿐만 아니라 다양한 종류의 제스처 해독이 포함될 수 있으며, 이는 마비 환자가 환경과 상호작용할 수 있는 방식을 더욱 풍요롭게 만들 것입니다."라고 논문의 제1 저자인 생체의학 공학 박사과정 학생 타일러 싱어-클락(Tyler Singer-Clark)이 밝혔습니다.
싱어-클락 학생은 UC Davis 신경보철 연구실의 일원이며, 이 연구실은 신경과학자 세르게이 스타비스키(Sergey Stavisky)와 신경외과 의사 데이비드 브랜든만(David Brandman)이 공동으로 이끌고 있습니다. 스타비스키와 브랜든만 박사의 지도하에 연구실은 이전에 기록된 BCI 중 가장 정확한 음성 인식 BCI를 개발한 바 있으며, 싱어-클락 학생의 이번 프로젝트는 이를 기반으로 발전했습니다. 연구실의 BCI는 뇌의 음성 운동 피질에 이식되어, 생각할 때 발생하는 전기 활동을 해석하여 컴퓨터 화면에 인식 가능한 단어로 표시합니다.
연구팀은 음성 BCI를 분석하는 과정에서 흥미로운 사실을 발견했습니다. 음성 분석을 위해 사용된 뇌 부위가 실제로 컴퓨터 커서 제어와 같은 운동 능력에도 영향을 줄 수 있다는 것을 확인한 것입니다. 일반적으로 커서 제어는 다른 뇌 영역과 연관되어 있다고 여겨졌습니다. 이 관찰에 따라, 싱어-클락 학생은 음성 BCI를 위한 커서 제어 소프트웨어 코딩을 시작했습니다.
음성 운동 피질을 이용한 커서 제어 시스템은 이전에는 시도되지 않았던 분야였지만, 싱어-클락 학생은 수십 년간 축적된 다른 뇌 영역 기반 커서 제어 연구를 참고했습니다. 또한, 그는 연구실에서 이미 사용하고 있는 음성 BCI의 기존 코드 아키텍처를 기반으로 작업을 진행할 수 있었습니다. "신경 데이터의 사전 처리 과정을 다시 개발할 필요가 없었습니다."라며, "커서 제어를 위해서도 음성 BCI가 참가자의 의도를 해독하는 데 유용한 신경 특징을 추출하는 데 사용하는 것과 동일한 사전 처리 단계를 적용하면 됩니다."라고 그는 설명했습니다.
커서 제어 소프트웨어가 완성된 후, 싱어-클락 학생의 마지막 단계는 디코딩 아키텍처를 개별 참가자에게 맞게 최적화하는 것이었습니다. 그는 원래 음성 BCI 연구에 참여했던 동일한 환자와 함께 작업했습니다. 이 환자는 근위축성 측삭 경화증(ALS)으로 인해 움직임이 불가능한 상태였습니다. 싱어-클락 학생은 환자에게 화면상의 커서 움직임과 목표 선택을 보게 하면서, 환자가 커서 움직임을 생각하고 관찰할 때 발생하는 뇌 신경 활동을 분석했습니다. 그는 특정 신경이 언제 왼쪽으로 이동하려는 의도를 나타내는지 등을 파악하여 이 데이터를 커서 제어 소프트웨어에 매핑했습니다.
환자의 이식된 BCI에 소프트웨어가 활성화된 후, 커서 제어 기능에 적응하는 데 걸린 시간은 40초 미만이었습니다. 환자는 커서를 움직이는 것을 생각하는 것만으로 컴퓨터 화면에서 커서가 움직이는 것을 볼 수 있었고, 앱을 클릭하고 링크를 여는 것도 가능했습니다. 싱어-클락 학생은 BCI가 추상적인 생각을 직접 움직임으로 변환하는 것이 아니라, 일종의 '직관'에 가깝다고 설명했습니다. 브랜든만 공동 책임자는 "싱어-클락 학생의 작업은 이 분야에 매우 중요합니다. 그의 연구는 BrainGate2 참가자에게 생각만으로 컴퓨터 커서를 사용할 수 있게 했을 뿐만 아니라, 이 분야의 여러 회사들이 임상 시험을 설계하는 데 선구적인 역할을 했습니다."라고 평가했습니다.
편집자 노트¶
이번 UC Davis 연구팀의 성과는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술이 단순한 음성 출력 수준을 넘어, 실생활에서의 독립적인 상호작용까지 가능하게 하는 수준으로 발전했음을 보여주는 매우 중요한 사례입니다. 특히, 기존의 음성 BCI 연구에서 사용되던 뇌 영역이 커서 제어와 같은 운동 기능까지 지원할 수 있다는 사실은 BCI 기술의 확장성과 잠재력을 시사합니다. 이는 마비로 인해 손이나 팔을 움직이기 어려운 환자들이 컴퓨터를 능숙하게 다루고, 나아가서는 주변 환경과의 상호작용 범위를 크게 넓힐 수 있음을 의미합니다. 이는 단순히 기술적인 진보를 넘어, 환자들의 삶의 질을 근본적으로 향상시키고 사회 참여를 증진시킬 수 있는 강력한 도구로 작용할 수 있습니다.
기존의 BCI 기술이 주로 음성이나 특정 명령을 인식하는 데 초점을 맞췄다면, 이번 연구는 뇌 활동을 훨씬 더 복잡하고 미묘한 움직임 제어로 확장했다는 점에서 주목할 만합니다. 환자가 '생각'하는 것만으로 커서를 움직이고 클릭하는 과정은, 마치 손으로 직접 컴퓨터를 조작하는 것과 유사한 수준의 사용자 경험을 제공할 가능성을 보여줍니다. 이는 뇌 신호를 단순히 해석하는 것을 넘어, 사용자의 의도와 직관을 얼마나 효과적으로 파악하고 실행하는지가 BCI 기술의 핵심임을 다시 한번 강조합니다. 이러한 연구는 향후 더욱 정교하고 다기능적인 BCI 시스템 개발을 촉진할 것이며, 이는 뇌 질환으로 고통받는 수많은 환자들에게 새로운 희망을 줄 것입니다.