및 휠체어를 움직일 수 있다. 이는 뇌신경계의 정보전달이 전기신호를 바탕으로 이루어지기 때문이다. 뇌신경계의 뛰어난 적응력 또한 뇌-기계 접속기술의 활용을 촉진하는 요인이 되고 있다. 뇌와 기계 접속기술을 활용하면 손실된 운동기능의 회복은 물론 청각과 시각 등 손실된 감각기능도 되찾을 수 있다. 한마디로 삶의 방식을 바꿀 수 있는 기술인 것이다.
자료제공: 한국과학기술단체총연합회 과학과 기술
뇌신경계의 특징 중 하나는 다른 조직과 달리 한번 손상되면 재생이 어렵다는 것. 이 때문에 사고나 질병으로 뇌신경계에 손상을 입은 경우 대개는 완전한 기능을 회복하지 못한 채 여생을 살아가야 한다.
교통사고로 척수손상을 입은 환자들이 대표적이다. 이들의 경우 스스로 걷는 것을 포기하고 휠체어에 의지해야 한다.
하지만 이런 환자들은 운동명령을 내리는 뇌의 운동영역과 뇌의 명령을 이행하는 근육조직에는 전혀 이상이 없다. 단지 뇌의 운동명령을 근육의 움직임으로 전환해주는 척수가 손상돼 뇌와 근육의 연락이 단절돼 있을 뿐이다.
뇌와 기계 접속 가능
뇌의 운동명령을 직접 근육으로 연결해주면 척수손상 환자가 스스로 걷는 것이 가능하지 않을까. 또한 뇌의 운동명령을 외부 기계에 연결시킬 경우 생각만으로 의족이나 휠체어를 움직일 수 있지 않을까.
맞는 말이다. 이는 가능한 일이며, 현재 이 같은 연구가 활발히 진행되고 있다. 바로 뇌-기계 접속기술이다. 다만 이 기술은 현재 원리적으로만 가능한 상태며, 아직까지 척수손상 환자를 걷게 해주는 기술은 개발돼 있지 않다.
하지만 뇌-기계 접속기술이 미래의 기술만은 아니다. 예를 들어 인공와우(人工蝸牛)와 같이 분야에 따라서는 상용화돼 실제 쓰이고 있는 기술도 있다. 즉 뇌-기계 접속기술은 미래의 기술이자 현재의 기술인 셈이다. 그렇다면 뇌와 기계의 접속은 어떻게 가능한 것일까.
뇌-기계 접속기술이 원리적으로 가능한 것은 무엇보다 뇌신경계의 정보전달이 전기신호를 바탕으로 이루어지기 때문이다.
신경세포는 내부와 외부 사이에 미세한 전위(대개 70mV 정도)를 유지하며, 이 같은 전위를 변화시켜 신호를 전달한다. 전위란 전기장 내에서 단위 전하가 갖는 위치 에너지인데, 컴퓨터와 같은 정밀기계 역시 전기신호를 이용해 제어하기 때문에 뇌와 기계는 원리적으로 상호접속이 가능하다.
두 번째로 주목할 점은 신경계의 경우 디지털 신호를 이용한다는 점이다. 신경계의 중장거리 통신은 활동 전위에 의존하는데, 활동 전위는 크기와 모양이 일정하다. 즉 신경세포들은 동일한 시그널을 가지고 상호교신을 한다.
모스 부호를 생각하면 이해하기 쉽다. 동일한 시그널을 가지고도 시그널의 시간적 패턴에 의해 다양한 조합을 만들어 낼 수 있다.
따라서 미세전극을 특정 신경세포 가까이에 위치시켜 전기적인 신호를 잡아내면 신경세포의 신호를 잡음 없이 도청하는 것이 가능하다. 이 신호를 이용해 외부 기계를 제어하는 것은 원리적으로 또한 실제적으로도 가능하다.
뇌-기계 접속기술의 미래를 밝게 하는 또 하나의 요인으로 뇌신경계의 뛰어난 적응력을 들 수 있다. 뇌는 컴퓨터와 달리 환경변화에 끊임없이 적응해가며, 이 과정에서 하드웨어를 변화시킨다.
특히 신경세포 사이의 연결구조인 시냅스는 매우 빠르게 변화하는데, 이 같은 뇌의 적응성이야말로 뇌-기계 접속기술을 실질적으로 가능하게 해주는 요인이다.
그렇다면 현재 개발 또는 사용 중인 뇌-기계 접속기술에는 어떤 것들이 있을까. 여기에는 가장 연구가 활발한 분야인 감각성 뇌-기계 접속기술, 운동성 뇌-기계 접속기술, 그리고 뇌자극술 등이 있다.
감각성 뇌-기계 접속기술
감각성 뇌-기계 접속기술은 손실된 감각기능을 되찾게 해주는 감각신경 보장구(保障具)를 개발하는 것이다. 대표적인 예가 인공와우다.
인공와우는 중이(中耳)의 손상으로 청각을 잃어버린 사람들의 청각을 되찾게 해주는 장치로 이미 환자에 적용되고 있는 현재의 기술이다. 사람은 외이(外耳)를 통해 전달된 소리를 중이의 와우(달팽이관)에서 신경신호로 변환, 소리를 듣는다. 만일 중이의 와우가 손상되면 음파 에너지를 신경신호로 변환할 수 없어 소리를 들을 수 없게 된다.
음파 에너지를 전기신호로 바꾼 뒤 전극으로 청각신경을 직접 자극해 소리를 듣게 해주는 것이 바로 인공와우다. 인공와우는 한 건당 약 2만 달러로 비싼 시술법이다. 하지만 지난 1995년 처음 시술된 이후 매년 사용자가 늘고 있으며, 현재 누적 사용자는 전 세계적으로 10만 명을 넘어서고 있다.
뇌-기계 접속기술에 의한 시력 회복 역시 활발히 연구되는 분야다. 사람의 경우 시각이 워낙 중요하기 때문에 시력을 잃은 사람이 다시 볼 수 있다면 매우 획기적인 일이 될 것이다. 이를 위해 몇 가지 방법들이 시도되고 있는데, 우선 인공망막부터 살펴보자.
정상적인 사람의 경우 눈을 통해 들어온 빛은 망막의 빛 수용체를 통해 전기적 신호로 변환된다.
따라서 망막색소상피 변성증이나 황반퇴화증과 같은 질병으로 망막이 손상된 사람은 앞을 볼 수 없다. 이런 사람의 경우 인공망막을 개발해 빛 신호를 전기적 신호로 바꾸어 주고, 바뀐 신호를 시각신경에 전달해 주면 원리상 시력을 되찾을 수 있다.
인공망막도 몇 가지 종류가 개발되고 있다. 미국 남가주 대학을 중심으로 이루어지는 연구에서는 소형 비디오카메라에 잡힌 시각신호를 망막에 이식된 칩에 무선으로 전달해 시신경을 자극하는 기술이다.
지난 2002~2004년 사이 맹인 6명을 대상으로 첫 번째 임상실험이 실시됐는데, 50년 동안 앞을 보지 못했던 시각장애인이 큰 글씨를 알아보고 상이한 물체들을 분간했다.
첫 번째 임상실험에서는 불과 16개의 전극으로 이루어진 칩을 사용했다. 따라서 칩을 이식 받은 시각장애인은 정상인에 비해 매우 낮은 해상도의 영상 이미지를 보는데 불과했다.
하지만 이를 개선하기 위해 현재 60개의 전극으로 이루어진 칩의 임상시험이 진행 중이다. 앞으로 전극의 고집적화가 성공적으로 진행되면 비교적 또렷한 영상을 보는 것이 가능할 것으로 예측된다.
이외에도 빛 에너지를 전기 에너지로 변환해주는 미세 광다이오드를 망막에 이식해 망막색소상피 변성증 환자의 시력을 회복시키는 연구가 진행되고 있다. 또한 시각정보를 전기신호로 바꾼 뒤 시각중추를 자극하는 방법도 연구되고 있다.
하지만 시각계가 처리하는 정보량이 청각계가 처리하는 정보량보다 워낙 방대하고, 뇌에서 시각에 관여하는 부위가 청각에 관여하는 부위보다 월등히 크기 때문에 가까운 장래에 시각장애인의 시각을 정상인과 비슷한 정도로 되찾는 것은 쉽지 않을 전망이다.
운동성 뇌-기계 접속기술
운동성 뇌-기계 접속기술은 가장 활발히 연구되고 있는 분야로 손실된 운동기능을 회복시켜주는데 초점이 맞추어져 있다.
척수손상 환자나 루게릭병 환자와 같이 운동중추는 정상이지만 근육까지 신호를 전달하는 운동신경에 이상이 생긴 사람들의 경우 운동중추의 신호를 포착해 근육으로 직접 전달해 주거나 또는 외부 기계를 제어하는 것이 가능하다.
물론 운동중추의 신호로 자신의 근육을 직접 제어하는 수준까지의 연구는 일천한 상태다. 이 때문에 운동중추의 신호로 외부 기계를 제어하는 연구가 주류를 이루고 있다. 이 분야의 연구는 크게 두 가지로 나뉜다. 하나는 뇌파를 이용하는 것이고, 또 하나는 신경세포 신호를 이용하는 것이다.
뇌파의 경우 전염병이 침범하지 않는 비침습적 측정이 가능하다. 반면 신경세포 신호를 이용하는 방법은 두개골을 뚫고 전극을 삽입해야 한다. 이런 면에서 보면 뇌파 측정법이 훨씬 우월하다.
하지만 뇌파는 수많은 뇌신경세포 신호가 합해진 신호이기 때문에 뇌신경망이 처리하고 있는 정보를 해독해내기 힘들다는 결정적인 단점을 가지고 있다. 반면 신경세포 신호를 이용하는 방법은 침습적이란 단점이 있지만 개별 신경세포 신호를 직접 측정하기 때문에 뇌신경망이 어떤 정보를 처리하는가를 정확히 알 수 있는 장점이 있다.
이 같은 차이점 때문에 뇌파 측정법은 사람을 대상으로, 신경세포 신호 측정법은 원숭이와 같은 동물을 대상으로 연구가 이루어지고 있다.
뇌파를 이용하는 연구자들의 경우 복잡한 분석 알고리즘을 이용해 뇌파로부터 최대한의 정보를 추출하려고 노력하고 있다. 하지만 현재의 기술 수준은 뇌파를 이용해 1분에 1~2개 정도의 단어를 생성하는데 불과하다. 앞으로 이 기술이 좀 더 유용성을 가지려면 뇌파에서 정보를 추출해 내는 분석 알고리즘이 더욱 발달돼야 할 것이다.
신경세포 신호를 이용하는 경우에는 이런 문제가 없다. 아직까지는 동물을 대상으로 연구가 진행되고 있는데, 저명한 뇌 생리학자들이 연구에 동참하고 있는데다 상당히 고무적인 결과들도 보고되고 있다.
예를 들어 미국 듀크 대학의 미구엘 니콜엘리스 박사는 원숭이의 대뇌피질에 미세전극 다발을 삽입해 원숭이의 팔 운동에 해당하는 신경신호를 측정했다.
그리고 이 신호에 근거해 로봇 팔을 구동시키는데 성공했다. 실험 대상 원숭이의 경우 처음에는 자신의 팔을 함께 움직이면서 로봇 팔을 구동시켰지만 이 시스템에 적응해 나중에는 자신의 팔을 움직이지 않고 생각만으로 로봇 팔을 구동시켰다.
이 같은 침습적인 방법은 실제 환자를 대상으로도 시험됐으며, 부분적인 성공을 거두었다. 하지만 아직은 초보적인 수준에 불과하다. 앞으로 동물 연구를 바탕으로 이 방법을 개선시켜가면서 사람에 적용하면 좀 더 정교한 움직임의 제어가 가능할 것으로 전망된다.
하지만 앞에서 말한 것과 같이 이 방법의 단점은 뇌 속으로 전극을 삽입해야 한다는 것이다. 만일 환자를 대상으로 사용할 경우 삽입 전극의 안전성, 생체 적합성 등이 검증돼야 한다.
두 방법의 문제점을 동시에 해결해 줄 수 있는 방법도 모색되고 있다. 뇌 영상 기법이 바로 그것. 최근 네덜란드에서는 뇌의 활동을 자기공명영상법으로 측정한 뒤 이 신호를 이용해 두 피험자가 실시간으로 컴퓨터 탁구게임을 하는데 성공했다.
하지만 이 기술의 문제는 뇌 영상 장치가 매우 크고 가격 역시 비싸다는 것. 앞으로 뇌 영상 기술이 발전해 고속, 고해상도, 그리고 저가의 휴대용 뇌 영상 기기가 만들어지면 신경세포 신호를 이용하면서도 비침습적인 뇌-기계 접속기술이 가능할 것으로 기대된다.
응용 가능성 큰 뇌자극술
뇌-기계 접속기술 연구는 감각 또는 운동신경 보장구 분야가 가장 활발하지만 다른 분야에서도 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 한 예로 심부 뇌 자극술과 같이 신경세포 신호를 이용하기보다는 뇌신경계를 자극해 주는 기술들이 있다.
심부 뇌 자극술은 우울증과 같은 경우에 사용되기도 하지만 주로 파킨슨병 환자들을 위해 사용되는 일종의 뇌-기계 접속기술이다.
파킨슨병은 중뇌 흑질이라고 불리는 뇌 부위의 도파민성 신경세포들이 죽어가는 것이 원인이다.
이는 기저핵이라고 불리는 뇌 부위의 기능 이상으로 이어져 결국 운동실조로 연결되는 매우 심각한 질병이다. 특히 중증으로 진행되면 약물 제어가 불가능해진다.
심부 뇌 자극술은 환자의 기저핵에 삽입된 전극을 통해 자극을 가해 운동실조를 극복하는 방법인데, 현재 어떤 치료방법보다 중증 파킨슨병 환자에게 탁월한 효과를 보이고 있다. 단점으로는 아직까지 고가의 비용을 감수해야 하며, 피하에 삽입된 건전지를 수년마다 교체해야 한다는 점을 들 수 있다.
심부 뇌 자극술과 비슷한 치료 기술로 미주신경 자극술이 있다. 신경계를 자극해 뇌질환을 치료한다는 점에서 심부 뇌 자극술과 같은 원리지만 자극하는 부위가 말초신경계인 미주신경이고 치료목적이 간질이라는 점만 다르다. 미주신경 자극술은 안전성과 간질 제어에 대한 효율성이 입증돼 약물로 제어하기 힘든 간질 환자를 대상으로 사용되고 있다.
이외에도 뇌졸중 환자의 뇌에 전극을 삽입하고 전기적 자극을 가해 뇌의 기능 회복을 촉진하는 연구가 진행되고 있다.
또한 줄기세포를 뇌신경계에 이식한 후 전기적 자극을 가해 생존 및 분화를 촉진시키는 연구도 이뤄지고 있다. 뇌자극술은 뇌신경망의 정보처리 조절 및 손상된 신경계의 재생 촉진 등 앞으로 응용 가능성이 많은 분야다.
뇌 제대로 이해해야
최근 뇌-기계 접속기술 연구가 붐을 이루고 있는데, 이 같은 현상은 당분간 지속될 것으로 전망된다.
학계에서는 저명한 과학자들이 뇌-기계 접속기술 연구에 뛰어들고 있으며, 산업계에서는 뇌-기계 접속기술 관련 벤처기업들이 설립돼 상용화를 목표로 연구에 매진하고 있다. 인공와우, 그리고 심부 뇌 자극술과 같은 신경조절 기구는 이미 상당한 규모의 시장이 형성돼 있으며, 앞으로도 시장규모는 더욱 커질 전망이다.
장기적으로 뇌-기계 접속기술의 미래는 과학자들이 기술 개발의 장애가 되는 문제점들을 얼마나 효율적으로 해결해 나가느냐, 그럼으로써 인류에게 얼마나 유용한 기술로 발전시킬 것인가에 달려있을 것이다.
뇌-기계 접속기술의 미래에 있어서 중요한 변수 중의 하나는 과연 정상인을 대상으로 한 기술이 개발될 것인가 여부다. 현재로선 이 가능성이 불투명하다.
하지만 뇌파 측정기술 또는 뇌 영상 기술의 획기적인 발전으로 정상적인 사람들이 이 기술의 혜택을 볼 가능성을 배제할 수 없다. 또한 미세전극 시술법이 간편하고 안전하게 개선돼 요즘 라식수술 하듯 전극을 이식할 가능성도 배제할 수 없다.
이렇게 되면 뇌-기계 접속기술이 광범위하게 보급돼 삶의 방식을 완전히 바꾸는 것도 가능할 것이다.
우리나라의 뇌-기계 접속기술 연구 역량은 그리 높은 편이 아니다. 하지만 뇌-기계 접속기술은 상대적으로 역사가 짧으며, 우리나라는 높은 수준의 IT 기술을 보유하고 있어 연구에 박차를 가한다면 머지않아 세계적 수준의 연구가 가능할 것으로 보인다.
이를 위해서는 IT 기술의 발전뿐 아니라 뇌 과학의 동반 발전이 필수적이다. 왜냐하면 뇌를 제대로 이해하지 않고는 효율적인 뇌-기계 접속이 불가능하기 때문이다. 뇌-기계 접속기술은 대표적인 BT-IT 융합기술이며, 이의 발전을 위해서는 신경과학과 공학의 동반 발전, 그리고 이 두 분야의 성공적 융합이 전제돼야 한다.
글_정민환 아주대학교 의과학연구소 신경과학연구실 교수 min@ajou.ac.kr
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