뇌-기계 인터페이스 (BCI)

GLOBAL KEYWORD

뇌-기계 인터페이스(BCI)

생각으로 사물을 제어할 수 있다면!

생각만으로 자동차를 운전하고, 시험기간에 갑자기 기억력이 좋아진다면? 혹은 시력을 잃은 사람에게 세상의 아름다움을 보여 줄 수 있다면, 또 기억이 지워져가는 할머니의 기억을 지킬 수 있다면 어떨까? 이런 상상과도 같은 일들에 도전하는 사람들이 있다. 바로 브레인 임플란트 분야의 과학기술자다. 두뇌에 초소형 칩을 삽입하여 인간과 기계가 신호를 주고받을 수 있도록 하는 “뇌-기계 인터페이스 기술(Brain–Computer Interface, 이하 BCI)”은 현재 기 억 이나 인지능력을 높이기 위한 연구로도 확장되고 있다. 인간 뇌의 기능을 증강하는 브레인 임플란트 기술의 현재와 미래를 살펴본다.

글. 최성연 SNS-View 편집위원

동국대학교 연구교수

생각으로 사물을 제어하는 기술?

뇌-기계 인터페이스(BCI), 그리고 브레인 임플란트(Brain Implants)란

뇌-기계 인터페이스 장치인, ‘브레인 임플란트’ 기술은 뇌과학을 기반으로 하는 연구 분야다

Brain Implant

뇌과학은 인간의 뇌가 갖고 있는 물리적, 정신적인 기능을 탐구하고, 공학적 기술을 이용해 기능을 증강하거나, 뇌와 유사한 기계를 만들어 내는 것까지 매우 다양한 범위를 다룬다. 특히 4차 산업혁명 시대의 인공지능, 빅데이터와 같은 첨단 기술의 발전은 뇌과학 분야의 연구가 더 빠르게 성장하는 바탕이 되고 있다.

뇌의 구조와 기능을 이해하기 위해서는 생물학, 의학, 심리학 분야의 연구가 필요하다

또한, 두뇌 활동 분석을 위해 수학, 물리학, 화학, 그리고 컴퓨터 공학적 지식도 있어야 할 것이다. 이렇게 밝혀낸 뇌의 신비는 전자공학, 기계공학 등의 과학기술과 융합하여 인간의 삶을 바꾸는 기술이 되기도 한다. 뿐만 아니라 인문·사회학과 만나 인간의 심리를 연구하고, 도덕과 윤리의식, 선택이나 의사결정과 같은 문화적, 사회경제적 현상을 이해하는데도 활용된다. 뇌과학은 여러 분야가 융합된 융합학문이라 할 수 있으며, 실제로 다양한 분야의 전문가 간 의 협력 연구가 진행되고 있다. 뇌과학 연구는 안전성과 윤리가 중요하다

사람을 대상으로 하기 때문에, 무엇보다도 안전성과 윤리적 관점에서의 검증이 우선되어야 한다. 나아가 이러한 기술의 혜택이 경제력을 지닌 소수에게만 제공되지 않도록 견제하는 사회적인 노력도 필요하다.

BCI/ 브레인 임플란트의 사례들

생각만으로 자동차를 운전하다

인간 두뇌의 신경세포인 뉴런은 전기적인 신호를 이용하여 정보를 전달한다. 이 때 뉴런에 흐르는 전기신호를 감지할 수 있다면, 사람의 생각을 읽고 이를 전자기기에 연결하여, 생각 만으로 기기를 제어하는 것이 가능해진다. 간단하게는 TV 채널을 바꾸거나 원하는 음악을 재생하는 것뿐만 아니라, 자동차와 같이 복잡한 기계도 인공지능 기술과 결합하여 제어가 가능할 것으로 기대된다.

[우리나라] 자율주행차

성균관대학교 연구팀에서는 문신과 같이 피부에 부착하는 형태의 뇌파 측정 장치를 개발, 이를 통해 전기신호를 감지하고, 인공지능 기계가 사람의 의도를 반영하여 모형 자율주행차를 제어하는 실험에 성공하였다.[1] 이를 통해 사람의 뇌파가 인공지능의 의사결정 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 아직은 모형 자동차를 제어하는 수준이지만, 향후 생각만으로 운전이 가능한 자율주행차도 등장할 것으로 기대되고 있다.

그림1. 문신 전자 장치 기반의 “뇌-인공지능 자동 제어 인터페이스

[1]

제6의 감각이 깨어난다!

우리 몸 구석구석 펼쳐져 있는 신경세포는 빛, 소리, 냄새, 촉감, 맛과 같은 외부의 정보를 수용하여 뇌로 전달하고, 우리 뇌에서는 이러한 전기신호를 통합·처리함으로써 우리가 우리의 주변 정보를 이해하게 한다. 만약 우리의 이 주요 감각 장치 중 하나에 어려움이 생 긴다면, 이를 대체할 수 있는 새로운 장치가 필요할 것이다.

[스페인] 망막 임플란트

스페인의 과학자, 에두아르도 페르난데스 호버(Eduardo Fernandez-Jover)는 선·후천적 으로 시력을 잃은 사람들을 위해 카메라를 이용하여 정보를 수집하고, 이를 전기신호로 변환 하여 두뇌에 전달함으로써 시력을 읽은 사람에게 세상을 보여주는 망막 임플란트 개발에 성공 하였다 . 아직은 빛을 구분하는 수준이고, 6개월 정도 후에 기계를 제거해야 하는 한계가 있지만, 보다 안전하고, 정확한 기술을 위해 과학자들의 도전이 이어지고 있다.

[2]

[미국] 말하기·듣기를 위한 데이터 처리 장치

미국 DARPA(Defense Advanced Research Project)의 NESD(Neural Engineering System Design) 프로젝트는 신경과학과 나노기술 분야 지원을 통해 뇌와 컴퓨터 사이의 데이터 전송 속도를 1,000배 증가시키는 차세대 뇌-기계 인터페이스를 개발 했다고 한다 . 이를 기반으로 말하기가 어려운 루게릭병 환자들이 생각만으로 말할 수 있게 하는 연구가 진행되고 있으며, 향후 시각뿐만 아니라 말하기·듣기에 어려움이 있는 사람들을 지원할 수 있을 것으로 보인다.

[3]

기억력을 높이려는 과학의 도전 시험 때만 되면 우리는 “조금만 더, 조금만 더 … ”기억할 수 있기를 바란다. 인간의 두뇌는 수 많은 뉴런의 복잡한 네트워크로 연결되어 전기적 신호 전달을 통해 정보를 처리하고, 네트워크의 변화를 통해 정보를 저장한다. 바로 이 때 전기적 신호 전달력을 향상시키고, 네 트워크의 변화를 기록하는 방법을 활용하여, 순간적인 집중력과 기억력을 극대화 하려는 도전이 이루어지고 있다.

[미국] 학습할 내용을 칩으로?

미국 DARPA의 TNT(Targeted Neuroplasticity Training) 프로젝트는 단기 기억력을 높이는 기술을 연구한다. 두뇌에 초소형 칩을 삽입하여 국가안보임무와 관련된 기술을 학습 하게 하는 것이다. 두뇌의 성능을 높이는 기술이 현실이 될 수 있을지, 또 우리는 이런 기술을 앞두고 무엇을 준비해야 할지, 프로젝트에 많은 관심이 모이고 있다. * 기억에 어려움이 있는 사람을 돕고 싶어요! 두뇌에 전기자극을 주어 신경회로를 조절하는 기술은 이미 상용화 되어 사용되고 있다. 파킨슨병과 같은 질병을 치료에 주로 사용되는 뇌심부 자극술 그것이다.

뉴럴링크의 계획 [미국]

이 바로

Deep Brain Stimulation

테슬라의 창업자인 일론 머스크(Elon Musk)가 설립한 뉴럴링크 회사는 임플란트 기술을 이용하여 뇌질환을 치료하고, 나아가 뇌기능을 증강하는데 목표를 둔다고 한다 . 인간의 뇌와 컴퓨터를 연결하여 뇌의 정보를 읽어서 기록하고, 기록된 정보를 뇌가 활용할 수 있도록 제공 하여 기억력을 높인다는 계획이다. 매우 기대되는 기술이지만 동시에, 잊히지 않는 수많은 정보들을 과연 내가 감당해 낼 수 있을까? 라는 걱정이 되기도 한다.

참고문헌

[3]

[1] Shin, J.H., Kwon, J., Kim, J.U. et al. Wearable EEG electronics for a Brain–AI Closed-Loop System to enhance autonomous machine decision-making. npj Flex Electron 6, 32 (2022). https://doi.org/10.1038/s41528-022-00164-w

[2] Sanchez-Garcia, M., Morollon-Ruiz, R., Martinez-Cantin, R., Guerrero, J. J., & Fernandez-Jover, E. (2022). Assessing visual acuity in visual prostheses through a virtual-reality system. arXiv preprint arXiv:2205.10395. https://doi.org/10.48550/arXiv.2205.10395.

[3] DARPA(2018). Defense Advanced Research Projects Agency. https://www.darpa.mil/attachments/DARAPA60_publication-no-ads.pdf