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미국 과학자들이 온몸이 마비된 환자가 생각만으로 컴퓨터에 글을 입력할 수 있는 장치를 개발했다. 환자들은 뇌에 이식한 칩을 통해 정상인과 비슷한 속도와 정확도로 글을 썼다. 생각을 그대로 글로 입력하는 방법은 시선 추적 시스템과 같이 마비 환자들이 흔히 사용하는 의사소통 시스템에 비해 더 친숙하고 배우기 쉬운 대안이 될 것으로 기대된다.

매사추세츠 종합병원 브리검 신경과학연구소와 브라운대 공동 연구진은 “마비 환자가 신속하고 정확하게 의사소통을 회복할 수 있는 ‘대뇌 피질 내 뇌-컴퓨터 인터페이스(iBCI)’ 타이핑 장치를 개발했다”고 17일 국제 학술지 ‘네이처 신경과학’에 발표했다. BCI는 뇌에서 나오는 신경신호를 감지해 컴퓨터 같은 외부 장치와 정보를 주고받게 하는 기술이다. 말하자면 생각을 컴퓨터로 옮겨 음성이나 문자 또는 로봇의 기계 동작으로 바꾸는 방법이다.



◇뇌 운동 신호 감지, 컴퓨터가 해독

이번 임상시험에는 근위축성 측삭 경화증(ALS, 루게릭병)과 척수 손상 환자 두 명이 참여했다. 연구진은 마비 환자 두 명의 뇌에서 손가락 운동을 제어하는 운동 피질에 칩을 이식했다. 이후 두 사람은 컴퓨터 화면에 나타난 쿼티(QWERTY) 배열의 표준 키보드를 보며 글자를 입력하는 훈련을 받았다.

키보드에는 손가락도 표시된다. 환자는 화면을 보며 머릿속으로 손가락을 어떤 모양으로 어느 키를 누를지 생각한다. 뇌에 이식한 칩은 이때 발생하는 뇌 신호를 감지해 컴퓨터로 보낸다. 컴퓨터는 뇌 신호를 해독해 키보드를 작동해 글자를 입력했다. 뇌 신호 해독에는 인공지능(AI)이 동원됐다. 연구진이 사용한 순환 신경망(Recurrent Neural Network)은 순서가 있는 데이터를 처리하는 데 특화된 AI이다.

실험 결과 말기 ALS 환자와 척수 손상 환자 둘 다 BCI 장치로 빠르고 정확하게 의사소통을 했다. 한 참가자는 최대 분당 110자(22단어)의 타이핑 속도를 기록했고 단어 오류율은 1.6%에 그쳤다. 이는 건강한 사람과 맞먹는 수준이다. 환자들은 단 30문장만으로 BCI 장치를 보정했다. 특히 두 사람 모두 집에서 편안하게 BCI 장치를 사용해 향후 상용화 가능성을 입증했다.

현재 마비 환자들은 주로 눈동자 움직임으로 컴퓨터에 글자를 입력한다. 환자가 컴퓨터 화면에서 어느 글자를 보는지 카메라로 시선을 추적해 글자를 입력하는 방식이다. 하지만 화면에 글자를 입력하는 데 시간이 너무 걸려 의사소통이 자연스럽게 되지 못한다. 논문 교신 저자인 다니엘 루빈(Daniel Rubin) 하버드 의대 교수는 “BCI는 마비 환자의 의사소통에 새로운 대안이 될 것”이라고 말했다. 연구진은 앞으로 속기법이나 환자 맞춤형 키보드를 도입해 글자 입력 속도를 더 높이겠다고 밝혔다.


마비 환자는 컴퓨터 화면에 보이는 쿼티(QWERTY) 배열 키보드를 보며 그 위의 손가락을 어느 위치에서 어떤 모양으로 움직이는 생각을 한다. 그러면 뇌 운동피질에 이식된 칩이 신호를 감지해 컴퓨터로 보낸다. 컴퓨터를 이를 해독해 글자를 입력한다./Nature Neuroscience
◇2004년부터 마비 환자 대상 임상시험

이번 임상시험은 브레인게이트(BrainGate) 연구의 일환으로 진행됐다. 브라운대 연구진이 바이오 기업인 사이버키네틱스(Cyberkinetics)와 공동으로 개발한 BCI 기술로 마비 환자가 생각만으로 신체 기능을 회복하도록 돕는 프로젝트다. 브레인게이트 연구진은 미국 보훈부의 지원을 받아 2004년부터 마비 환자를 대상으로 임상시험을 진행했다.

논문 공동 저자인 리 호크버그(Leigh Hochberg) 브라운대 교수는 “브레인게이트 컨소시엄은 BCI 기술의 가능성을 검증해 산업계가 환자를 위한 이식형 의료 기기의 최종 형태를 개발하는 데 큰 도움을 주고 있다”고 말했다. 호크버그 교수는 브레인게이트 임상시험 책임자이자 매사추세츠 종합병원 브리검 신경과학연구소의 신경기술·신경회복센터 소장이다.

브라운대는 하버드 의대 산하 매사추세츠 종합병원과 함께 2006년 국제 학술지 ‘네이처’에 브레인게이트 임상시험 결과를 처음 발표했다. 마비 환자는 BCI 기술 덕분에 생각만으로 컴퓨터 화면의 커서를 제어해 이메일을 열거나 텔레비전과 같은 기기를 조작했다.


브레인게이트 연구진은 2012년 네이처에 마비 환자가 BCI 기술로 로봇 팔을 제어해 물건을 잡았다고 발표했다. 뇌졸중으로 쓰러져 목 아래를 움직일 수 없고 말도 못하는 58세 캐시 허친슨 씨는 BCI 기술 덕분에 생각대로 로봇팔을 움직여 커피를 마시는 데 성공했다.

뇌졸중으로 쓰러져 목 아래를 움직일 수 없고 말도 못하는 58세 캐시 허친슨씨가 BCI 기술을 이용해 생각대로 로봇팔을 작동시켜 커피를 마시는 모습./BrainGate

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