감각 피드백 가능한
로봇 개발 연구 중
지금까지 개발된 기술의 발전 외 관련 연구자들은 BMI 기술을 통해 가까운 미래에 운동조절 및 암 진단까지 가능해질 것으로 보고 있다.
◇운동조절= 척수손상 환자들은 운동명령을 내리는 뇌의 운동영역과 명령을 이행하는 근육조직에는 전혀 이상이 없다.
단지 뇌의 운동명령을 근육의 움직임으로 전환해주는 척수가 손상돼 뇌와 근육의 연락이 단절돼 있을 뿐이다. 이론적으로는 뇌의 운동명령을 직접 근육으로 연결해주면 스스로 걷는 것이 가능해질 수 있다. 또한 뇌의 운동명령을 외부 기계에 연결시킬 경우 생각만으로 의족이나 휠체어를 움직일 수도 있다. 현재 이 같은 연구가 활발하게 진행되고 있다.
매트 네이글은 2005년 사이버키네틱스 뉴로테크놀로지 시스템스사의 브레인게이트라는 임플란트를 통해 자신의 운동능력을 조절한 최초의 마비 환자이다.
시술을 통해 네이글은 일차 운동영역인 중심전이랑(precentral gyrus)에 이식한 96개의 전극과 연결된 컴퓨터를 통해 생각만으로 스크린 커서를 조절해 메일을 읽고 게임을 즐길 수 있었다. 베르나르 베르베르의 소설 "뇌"의 내용이 현실로 실현된 것이다. 인공 손가락을 쥐었다 펼 수도 있었다. 그러나 그는 2년 후 혈액감염으로 사망했다. 뇌내 신경칩 삽입으로 정확한 운동조절은 가능했으나 외부로 연결된 장치로 인한 감염위험을 극복하기 위해서는 무선제어장치의 개발이 요구된다.
로봇기술 강국인 일본 연구팀은 뇌내 신경칩을 삽입한 인공 손 부착 환자에게 "가위바위보"를 시키는 연구를 성공시킨 이후 글씨를 쓰게 하는 연구를 진행중이다. 이화학연구소 뇌과학종합연구센터와 도요타자동차는 뇌파로 움직이는 휠체어를 공동개발하기도 했다. 그러나 아직 실용단계에 이르기에는 이른 상황이다.
BMI 기반 입력장치를 통해 촉각, 힘, 운동감 등을 느끼게 하는 기술이 적용된 햅틱 로봇이 개발되면 간접적인 수술이 가능한 수술 로봇, 재활 치료 등 의료에 활용할 수 있다. 국내에서는 교육과학기술부가 지원하는 "뇌기능 활용 및 뇌질환 치료기술 개발연구 사업단"이 이 같은 연구를 진행중이다. 사업단이 추구하는 목표는 인공 팔 등 로봇에 감각정보의 피드백 기능을 부여하는 것이다.
기존 로봇은 뇌가 운동명령을 수정할 경우 "명령-취소-재명령" 방식으로 이루어지나 인공 팔에 감각기능을 추가해 피드백이 가능해지면 실시간으로 감각정보를 뇌와 교신할 수 있다.
이 경우 운동명령 시 계산되지 않았던 충돌 등을 실시간으로 감지해 재명령함으로써 명령지연 및 교란을 예방할 수 있다. 이를 위해서는 되먹임을 매개할 수 있는 전기 자극의 위치, 빈도, 진폭, 파형 등을 개발하여 그 안정성 및 효능을 검증해야 한다. 감각신호에 대한 감지능력은 뇌 가소성을 이용한다면 훈련이 가능하다.
뇌-기계 접속장치 개발을 위해서는 ▲안전하고 편리하게 두뇌의 신경활동을 측정할 수 있는 기술 ▲측정한 뇌신경 활동을 분석하고 신호를 해석하는 기술 ▲해석된 신호로 컴퓨터나 로봇 등의 외부장치를 제어하는 기술 등 크게 3가지 분야의 기술이 필요하다. 사업단은 현재 환자의 뇌에 신경칩을 직접 삽입해 측정한 신호를 분석하는 단계에 머물러 있다. 그러나 로봇에 감지센서를 부착시킨 이후 감지된 정보를 환자의 뇌 중추로 입력하는 다양한 감각의 입력 BMI 개발에 대한 연구는 현재 세계적으로 출력 BMI 연구개발에 반해서 극히 초보적인 단계에 있다.
◇개를 이용한 암 진단= 이르면 4년 후에는 암을 진단해 내는 개가 등장할 전망이다. 지식경제부가 주관하는 "바이오닉 인터페이스 기반 신경정보 제어기술 연구단" 총괄책임자인 한림의대 생리학교실 신형철 교수팀은 후각신경세포들의 다채널 동시기록 및 정보를 해석하는 일명 "개코 프로젝트"를 진행중이다.
현재까지 개발된 어떠한 기술도 인간보다 1만 배 이상 후각이 발달한 개의 후각능력을 능가하지 못한다. 1980년대 중반부터 일정한 훈련기간을 거쳐 8종의 암 진단에 이용해 왔는데 그 정확도는 85~90%로 평가된다.
같은 목적으로 개의 후각신경계를 통해 중추로 상행하는 감각신경세포들의 활동전위를 실시간 해석하는 BMI 기술을 적용할 경우 훈련기간을 없애고 정확도를 95% 이상 끌어올릴 수 있다는 것이 신 교수의 설명이다.
이 같은 연구는 Nature와 Science 등에 보고된 쥐, 나비 연구를 통해 감각계 신경세포가 다양한 냄새를 분별하는데 작동하는 신경회로 기전에 대한 이해에 바탕을 두고 있다.
연구를 위해 개 뇌의 후각중추에 100~200개의 전극을 삽입한 후 각종 암 환자의 소변이나 날숨의 냄새를 맞게 할 때 신경반응 패턴을 실시간 해석해 암을 진단해내는 감각정보해석 BMI 방식이다. 현재 신 교수팀은 선행연구로서 쥐의 후각신경 신호 디코딩 연구를 진행중이다. 이 기술을 통해 가정에서 개를 이용해 암 스크리닝이 가능해질 수도 있을 것으로 보인다.
▶도움말; 신형철 한림의대 교수·생리학교실, 정천기 서울의대 교수·서울대병원 신경외과