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내 머릿속 매트릭스

9월 23 업데이트됨

뇌공학이란?

공상과학(SF) 영화를 좋아하는 사람이라면 쉽게 영화 <매트릭스>, <써로게이트>, <아바타> 속 장면을 떠올릴 것이다. 영화 속 사람들은 가만히 않아서도 가상현실에 접속해 어느 곳이든 마음대로 다닐 수 있다. 심지어 가상현실 속에서 느끼는 감각을 실제로 느낄 수도 있다.


영화 매트릭스의 포스터

이제는 이런 이야기를 그저 공상과학영화라고만 생각해서는 안 된다. 뇌공학자들은 이미 영화의 상상을 현실로 만들기 시작했다. 이들은 영화 속 가상현실을 실제로 만들기 위해 우선 사람의 생각을 뇌에서부터 읽어내는 기술을 개발하고 있다. 그리고 궁극적으로는 이 생각을 기록하고, 다시 꺼내어 볼 수 있는 이른바 “드림레코더”를 만들고 있다.


그렇다면 사람들이 흔히 뇌공학이라고 하는 것은 무엇을 하는 분야이며 왜 사람들은 이 분야에 대하여 열광하는 것일까? 뇌공학이란 뇌의 정보 처리 구조와 원리를 이해하고 인공지능 시스템에 구현하는 기술을 연구하는 학문으로, 인지과학, 생명 공학, 나노 기술이 융합된 새로운 연구 분야이다. 뇌공학 또는 신경공학은 인간의 뇌와 정신의 본질적인 특성을 탐구하고, 뇌가 활용할 정보 처리의 특성을 연구하는 인지 뇌과학과 뇌신경 신호를 측정, 분석하여 외부 기기를 제어하고 인간의 의사를 외부로 전달하는 방법을 연구하는 뇌-컴퓨터 인터페이스, 뇌의 정보처리 및 인지 과정 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 뇌의 기능을 모사하는 시스템을 구현하는 뉴로모픽 공학 등의 학제간 연구가 융합된 최신 학문 분야이다.


뇌공학자들은 드림레코더라는 기계 장치를 100여 년 전부터 생각해왔었다. 1919년 미국 뉴욕 주의 시러큐스라는 소도시에서 발행되는 지방 일간지인 <시러큐스 헤럴드>에 ‘이 기계는 당신의 모든 생각을 기록한다.’라는 제목의 기사가 실렸다. 기사에서는 한 남자가 머리에 전극이 달린 밴드를 착용하고, 이를 갈바노미터와 연결해 종이테이프에 뇌파를 기록하는 일러스트가 첨부돼 있다. 옆에 않은 여비서는 종이에 기록된 뇌파를 해석해서 남자가 현재 무슨 생각을 하고 있는지를 기록으로 남기고 있다. 이 장치는 19세기 후반 네덜란드의 과학자 빌렘 아인트호벤이 발명한 심전도계를 뇌에서 발생하는 전기신호 측정 장치로 개조한 것으로 아이디어 자체는 매우 간단하다. 생각에 따라 반응하는 뇌의 부위와 전기적인 반응이 다르기 때문에 뇌파를 측정하면 그 사람이 어떤 생각을 하는지 역추적 할 수 있을 것이라는 아이디어다.


1919년 6월 8일자 시려큐스 헤럴드 기사

하지만 뇌파는 사람의 생각이나 꿈을 읽어낼 수 있을 만큼이 높은 공간적인 해상력을 가지지 않는다. 뇌파는 뇌에서 발생하는 미세 전류가 머리 표면(두피)에서 만들어 내는 전위차(전압)를 검출하는 것인데 머리 표면과 뇌 사이에 위치하는 두개골은 전류를 잘 흘리지 못하기 때문에 전기신호의 크기가 감소하고 신호에 왜곡이 생긴다. 그렇기 때문에 뇌 신호는 두피 뇌파(Scalp EEG)뿐 만 아니라 신경세표 바로 위에서 바늘 모양으로 생긴 전극을 꽂아서 측정할 수도 있고 (미소 전극 배열) 전극을 뇌에 꽂지 않고 뇌 위에 올려놓아서 측정하는 두 개강 내 뇌파 측정 방식도 있다.


EEG – based는 두피뇌파, ECoG – based는 두 개강 내 뇌파, MEA 단일신경신호이다.

그럼에도 뇌의 여로 곳에서 발생한 신호들이 서로 중첩되어 특정한 뇌 활동만 분리하여 관찰하기 여럽다는 것도 문제 중 하나이다.


드림레코더, 지금은 어디까지 왔나?

최근 들어 마이크로/나노 공정 기술이 급속히 발전하며 과학자들은 머리카락 굵기보다도 가는 미세한 바늘 형태의 전극을 제작할 수 있게 되었다. 이 미세바늘을 대뇌 피질 표면에 찔러 넣으면 수십~수백 개의 신경세포 집단에서 발생하는 뇌의 전기신호를 정밀하게 관찰할 수 있다. 실제로 2004년 미국 브라운 대학교에서는 이 방법으로 ‘브레인게이트’라는 뇌-컴퓨터 접속 장치를 만들었다. 미세바늘을 이식한 사지마비 환자들이 생각함으로 텔레비전 채널을 바꾸거나 웹서핑을 즐기는 모습이 공개돼 큰 호응을 받았다.


사실 대뇌 피질에 바늘 전극을 찔러 넣어 생각을 읽어내려는 시도는 이전에도 있었다. 2000년 미국 듀크대학교의 미겔 니코렐리스 교수 연구팀은 올빼미 원숭이의 대뇌 운동영역에 꽂아 놓은 미세 바늘 전극 배열에서 측정한 신경 신호를 실시간으로 분석해서 로봇 팔을 작동시키는데 성공했다. 하지만 이 기술이 불과 4년 만에 사람에게 적용되리라고 예상한 과학자들은 많지 않았다. 대뇌 피질에 미세 전극을 꽂으면 감염의 위험이 있을 뿐만 아니라 발작을 일으킬 가능성도 있기 때문이다. 뿜나 아니라, 상처가 난 뇌 부위가 아물 면서 전극의 신호 측정 감도가 떨어지기 때문에 시간이 흐름에 따라 뇌-컴퓨터 접속 장치의 성능이 나빠지는 문제도 해결해야 했다.


네이글이라느 미식축구 선수가 강도에게 칼을 맞아 하반신이 마비되는 암울한 진단을 받은 것은 2001년 이었다. 3년 뒤 게르하르트 프라이스 박사는 네이글의 오른쪽 대뇌 운동피질에 96개의 미세 바늘로 만들어진 미세 전극 배열 칩을 삽입시켰다. 이로 네이글은 자신이 생각하는 데로 화면에 나타나는 마우스 커서를 움직이면서 티비 채널이나 메모와 같은 행동을 할 수 있게 되었다.


a는 네이그의 머리에 이식된 유타 어레이 크기를 1페니와 비교한 사진, b는 96개의 칩의 모양이며 c는 이식한 칩이 있는 위치이며 d는 이식을 하는 장면이다.

2012년 햇살이 따사로운 5월 어느 날, 미국 매사추세츠 종합병원의 작은 연구실에서 브라운대학교와 하버드대학교의 공동연구진이 지켜보는 가운데 뇌 전극을 이식 받은 58세 여성 허친슨 부인은 뇌공학 역사에 길이 남을 새로운 도전에 나섰다. 그녀의 왼쪽 대뇌 피질 운동영역에 이식된 ‘브레인 게이트2’ 시스템의 케이블 커넥터는 6년간 연결돼 있던 마우스 커서가 움직이는 검은색 바탕의 LCD 모니터에서 분리되어 5개의 자유도를 가지는 로봇 팔에 연결됐다. 성공적인 결과를 얻은 연구팀의 결과를 바탕으로 7개의 자유도를 가지는 시스템으로 구현해내는 후속 연구들이 등장 하였다.


그레그 게이지는 태드의 강연에 나와 뇌과학 실험을 일반인들도 쉽게 할 수 있게 DIY 키트를 만들었다. 자동 방식은 간단하지만, 보여주는 결과는 놀라웠다. 상대가 선으로 연결된 다른 타인을 조정할 수 있는 능력을 가지게 된 것이다. 자세한 내용은 아래의 TED 영상을 보면 확인할 수 있다.

뇌과학은 끊임없이 발전하고 있고 현재는 물리, 정보, 화학, 수학 등 거의 모든 분야와 융합되어 운영되고 있다. 우리가 아직 알고 있는 뇌에 대한 지식이 적어도 무수히 많은 연구들을 통해 우리가 미래 밝혀낼 진실들은 하나 둘 상상해보면, 앞으로의 발전이 정말 기대된다.

<참고 자료>

[1] 임창환 『뇌를 바꾼공학, 공학을 바꾼 뇌』, 2015

[2] 김동주. 『Brain and Artificial Intelligence』, 2019

[3] Bob Garrett 『Brain & Behavior』, 2014

[4] 사이언스올, 뇌공학(Brain Engineering), https://www.scienceall.com/%EB%87%8C%EA%B3%B5%ED%95%99brain-engineering/, 2018년 12월 12일

[5] Nature, 『Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia』, 2006


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[1] 투코리아, 영화 매트릭스-꿈과 현실의 경계에서 헤매는 현대인, http://2korea.hani.co.kr/media/316981, 2014년 11월 18일

[2] GIZMODO, This Machine Records All Your Thoughts, https://paleofuture.gizmodo.com/this-machine-records-all-your-thoughts-1919-512630433, 1919

[3] Naver blog, Introduction to BCI (Brain-computer Interface); 뇌파측정 및 분석법,http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=coolstu&logNo=130167356313&parentCategoryNo=&categoryNo=31&viewDate=&isShowPopularPosts=true&from=search, 2013년 5월 1일

[4] Nature, Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia, https://www.nature.com/articles/nature04970?draft=marketing, 2006


<동영상>

[1]https://www.ted.com/talks/greg_gage_how_to_control_someone_else_s_arm_with_your_brain/up-next

Bio 학생기자 추연서

2019년 겨울호

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뇌공학

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