뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 키보드나 마우스가 아닌 뇌파로 컴퓨터를 조작할 수 있는 기술로써, 사지가 마비된 사람들이 생각만으로 컴퓨터나 로봇 보형물을 조작할 수 있게 한다.

임상시험 등에 사용되던 기존의 연구용 BCI는 뇌파 신호를 디코딩하여 외부 장치를 구동하는 컴퓨터에 연결하기 위한 케이블이 필요했다.

그런데 케이블이 없는 무선 BCI가 인간에게 장착돼 최초로 시연에 성공했다. 이 시스템은 사용자를 디코딩 시스템에 물리적으로 연결하지 않고도 단일 뉴런의 해상도와 완전한 광대역 충실도로 뇌 신호를 전송할 수 있다. 디코딩이란 부호화된 데이터를 부호화되기 전의 상태로 되돌리는 것을 말한다.

미국의 과학 전문 매체 ‘사이언스데일리’에 의하면, 이 시스템은 전통적인 케이블 대신에 폭 5㎝에 무게 42g을 약간 넘는 작은 송신기가 달려 있다. 이 장치는 유선 시스템과 동일한 포트를 사용하여 사용자 뇌의 운동피질 내에 있는 전극 배열에 연결된다.

이 기술은 현재 개발 중인 뉴럴링크의 BCI와 유사하다. 테슬라 최고경영자 일론 머스크가 창업한 뇌신경과학 스타트업 뉴럴링크는 최근에 원숭이의 뇌에 비디오 게임을 할 수 있는 무선 컴퓨터 칩을 이식하는 데 성공했다고 발표한 바 있다.

그러나 이 장치는 돼지와 원숭이 등 동물에게만 실험하고 있는 뉴럴링크와는 달리 인간에게 적용한 최초의 장치라는 점에서 눈길을 끈다. 대역폭이 낮은 무선 BCI는 이전에 보고된 적이 있지만, 이번에 소개된 무선 BCI는 대뇌피질 내 센서에 의해 기록된 신호의 전체 스펙트럼을 전송한 최초의 장치다.

장비에 물리적으로 얽매이지 않아도 돼

이 새로운 연구는 미국 브라운대학, 스탠포드 대학, 케이스웨스턴리저브대학과 프로비던스 보훈병원, 매사추세츠 종합병원의 학제간 연구 그룹인 ‘브레인게이트 컨소시엄’을 통해 이루어졌다.

이번 연구를 주도한 브라운대학의 존 시메랄(John Simeral) 박사는 “이 무선 시스템은 지난 수년간 BCI 성능의 표준이 되어온 유선 시스템과 기능적으로 동등하다는 것을 입증했다”며 “유일한 차이점은 사람들이 더 이상 장비에 물리적으로 얽매이지 않아도 된다는 점이다”라고 말했다.

브레인게이트 연구진은 2012년에 BCI를 이용해 임상시험 참가자가 다차원 로봇 보철물을 조작하는 획기적인 연구 결과를 처음으로 발표한 바 있다. 그 후 꾸준히 시스템 개선을 함으로써 뇌파만으로 컴퓨터를 사용하고 심지어 사지마비 환자가 자신의 팔다리를 움직일 수 있게 하는 새로운 임상적 발전을 거듭해왔다.

이번 시연에서 척수 손상으로 사지가 마비된 35세 및 63세의 남성 2명은 무선 송신기가 장착된 브레인게이트 시스템을 사용하여 태블릿 PC를 마음대로 클릭하고 문자를 입력했다. 이 무선 시스템은 유선 시스템과 사실상 동일한 충실도로 신호를 전송했으며 클릭의 정확도와 높은 타이핑 속도를 달성했다는 점에서 주목을 끌었다.

임상시험 참가자들은 대부분의 BCI 연구가 이루어지는 실험실이 아니라 자신들의 집에서 이 시스템을 사용했다. 케이블의 제약을 받은 않은 탓에 참가자들은 최대 24시간 동안 연속적으로 BCI를 사용할 수 있었으며, 연구진은 잠자는 시간을 포함한 장기간의 데이터를 얻을 수 있었다.

코로나19 대유행 기간에도 연구 계속

임상시험을 이끈 매사추세츠병원의 신경과 전문의 리 호크버그(Leigh Hochberg) 교수는 “우리는 신경신호가 시간이 지남에 따라 어떻게 진화하는지 이해하고 싶었다”며 “이 시스템을 통해 이전에는 거의 불가능했던 방식으로 오랜 기간 동안 뇌 활동을 볼 수 있게 되었다”고 말했다.

이 시스템은 유선 연결을 유지하는 기술자가 필요 없으므로 임상시험 참가자의 집에서도 사용이 가능하다. 무선 연결을 설정하는 방법을 간병인에게 교육만 하면 되기 때문이다. 덕분에 브레인게이트 연구진은 코로나19의 대유행 기간에도 연구를 계속할 수 있었다고 밝혔다.

이번 연구에 사용된 장치는 브라운 공과대학 아토 누르미코(Arto Nurmikko) 교수의 연구실에서 개발됐다. 브라운 무선기기(Brown Wireless Device)로 불리는 이 기기는 최소한의 전력을 사용하면서도 충실도가 높은 신호를 전송하도록 설계됐다.

존 시메랄 박사는 “여러 기업이 BCI 분야에 진출했으며 일부 기업은 완전히 이식된 무선 시스템을 포함해 저대역 무선 시스템의 인간 사용을 이미 입증했다”며 “임상 능력을 발전시킬 수 있는 미래의 고대역 무선 시스템을 우리가 개발할 수 있게 되어 흥분된다”고 주장했다.

연구진은 블랙록 마이크로시스템스라는 회사와 라이선스 계약을 맺고 전 세계 신경과학 연구자들에게 이 장치를 제공할 계획인 것으로 알려졌다.