공상과학 영화에서는 흔히 물건을 움직이겠다는 상상을 한 뒤 어떤 물건을 움직이는 장면이 흔히 등장한다. 이러한 상황에서 주로 해당 인물은 머리에 어떠한 장치를 착용하고 있는데, 이러한 장치를 BCI(Brain Computer Interface), 어떠한 운동을 하는것을 상상할 때 생기는 뇌파를 motor(운동) imaginary(상상) EEG(뇌파) 라고 한다.
BCI의 역사
우리는 어떻게 생각을 할까? 간단히 말하기 어렵지만, 우리 뇌는 수많은 뉴런들로 이루어져있고, 정보가 전달되는 과정에서 전기적 신호들이 발생하게 된다. 따라서, 최초의 BCI는 이러한 뇌파를 읽은 뒤 분석하면 장애인을 보조하는데에 사용될 수 있지 않을까? 에서 출발해 연구되기 시작했다. 이후 연구 끝에 1998년, 뇌졸중으로 인한 Lock-down-syndrome 환자 Johnny Ray가 뇌 속에 BCI를 이식 받고 최초로 인공팔을 조종하는데에 성공하였다. 기존의 BCI들이 사지운동을 직접 조종하는 뇌의 부위에 삽입되었다면, 움직임을 하려는 의도를 가졌을때 활성화되는 부위에 이식하는것이 더 효율적이라는것을 캘리포니아 대학교의 연구자들이 밝혀내었다.
BCI가 적용 가능한 분야
BCI는 다음과 같은 곳에서 적용될 수 있다.
1. Replace functions : 잃어버린 기능을 보조해 줄 수 있다. 예를 들어 위의 Lock-down-syndrome 환자가 손을 움직임을 상상했을 때 기계 팔이 움직이는데에 사용될 수 있다.
2. Restore lost functions : 잃어버린 기능을 회복할 수 있다. 예를 들면 사지마비 환자나 배뇨 장애 환자가 마비된 팔을 움직이고 소변을 볼 수 있게 되는 것이다.
3. Improve functions : 재활치료를 통해 뇌졸중으로 마비되거나 약해진 팔, 다리의 근력을 회복시키는데 도움을 줄 수 있다.
4. Enhance functions : 스트레스 레벨을 측정하고 어떤 일이 주어졌을 때의 부주의로 인한 실수를 줄일 수 있다.
5. Research tool : 뇌기능의 연구에 이용될수 있다.
Motor imaginary EEG란
이제 본 기사의 두번째 메인 주제로 넘어가보자. Motor imaginary EEG를 한국어로 직역하면 ‘운동 상상 뇌파’로, 말 그대로 어떤 운동을 상상했을때 생기는 뇌파를 말한다. 이 뇌파는 실제 운동을 했을때 생기는 뇌파와 매우 비슷하여 분석하는것에 의의가 있다. 또한 어떤 운동을 물리적으로 하지 못하는 사람이 어떤 운동을 할 수 있게 하는데에 도움을 주기 위해서는 motor imaginary EEG를 분석하는것이 중요하다.
응용
Lancet 학술지에Abidemi Bolu Ajiboye가 발표한 논문에 따르면, 어떤 환자가 마비된 사지를 다시 움직일 수 있도록 신경보철 기술을 발전시켜서 발표하였다. 4번 경추 부위의 척수손 상으로 사지가 완전마비 상태였던 남자를 BCI와 FES를 이용해 주먹을 움켜쥐게 하는 것에 성공했다.
그는 총 192개 미세전극을 뇌 운동영역에 이식을 받았고 손과 팔에 총 36개 경피 전극을 이식받은 후, 손과 팔의 관절운동이 가능해졌다. 또한 이 환자는 단순한 운동 뿐만 아니라 팔을 움직여 커피가 담긴 컵을 움켜쥐고 커피를 마시고 포크를 사용해 감자를 찍어먹는 등의 행동을 3차원 가상현실 공간에서 연습하였고, 그 결과 온 신경을 손의 움직임에 쏟지않더라도 충분한 속도로 작업을 시행할 수 있었고 약 80~100%의 성공률을 보였다. 이 연구는 신경보철 기술을 이용하여 팔이 마비된 환자가 팔을 움직일 수 있게 한 최초의 사례라는 점에서 의의를 가진다.
과학 기술이 발전하면 발전할수록 그 전에는 불가능했던 일들이 가능해지고 있다. 만약 이와 같은 Motor Imaginary EEG와 관련된 기술이 발전된다면 운동과 관련있는 장애를 가지고 있는 장애인들이 움직일 수 있게 하거나, 안전한 환경에서 전투기 조종 연습을 하는 등에 활용될 수 있을 것 같다.
결론
앞에서 살펴본 Motor Imaginary EEG와 BCI는 무궁무진한 발전 가능성이 있다. 이러한 기술은 우리 실생활을 바꿀 수 있는 기술인만큼, 우리 생활에서 큰 변화를 가져오면 좋을 것 같다.
이승준 | Mathematics & Computer Sci. | 지식더하기
참고자료
[1] Motor imagery activates primary sensorimotor area in humans
[2] 마비역전기술의 현재와 미래, 장진우 교수 연세의대 신경외과학교실
