공상과학소설(SF) 속 이야기로만 여겨졌던 마음으로 각종 전자기기와 통신하는(작동하는) 꿈이 점차 현실로 다가오고 있다. 익히 알려진 뉴럴링크나 싱크론 같은 기업들이 뇌에 다양한 형태의 칩을 심고 컴퓨터를 작동하는 기술 덕분이다. 이른바 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)’ 기술이다. 특히 미국에만도 수백만 명이나 된다는 다양한 종류의 신체 마비증을 겪는 환자들에게는 이 기술이 바라마지 않는 꿈의 기술이다.

하지만 이같은 기술들에도 여전히 아직 부족한 점이 많다. 무엇보다도 번거롭다. 아직 개화되지 않은 기술이라고는 하지만 뇌에 칩을 심거나 설치하는 외에도 여러 주변 기기들이 따라붙는다. 이 때문에 소형화와 단순화에는 아직 이르지 못하고 있다. 이러한 거추장스러움은 이를 활용하려는 신체 마비환자들의 도입 의욕에도 걸림돌이 된다.

이런 가운데 미국 퍼듀대 과학자들이 덜 번거로운 BCI 시스템을 개발했다. 뇌에 뇌 정보 수집용 전극만 심고 나면 머리에 착용하는 헤드셋 웨어러블로 통신할 수 있다. 머리에 칩을 심고 칩과 연결된 줄을 귀 뒤로 빼낸 다음 별도 장치와 추가 연결할 필요도 없다. 좀더 사용하기 간편하고 편리하다. 칩과 머리에 쓴 웨어러블이 곧바로 무선통신을 한다. 마치 스마트폰 충전방식이 유선방식에서 무선방식으로 바뀐 것 같다. 비결은 뇌의 체액을 무선 통신 매질로 활용한 데 있었다.

칩과 장치가 점점더 작아지고 시술 과정의 상처 문제 등이 조금이라도 개선되면 기기 보급 및 활성화에 힘이 붙는다. 이는 초기에 신체 마비 환자는 물론 군의 병사들에게 조용한 의사소통을 제공하거나 특정 명령을 생각함으로써 장비를 작동하게 할 수도 있게 될 것이다. 미고등국방연구소(DARPA)가 스탠포드의대의 초기 뇌전극 이식 프로그램을 지원한 이유이기도 하다. 그리고 더욱더 활성화될 것이다.

테크익스플로어가 지난 20일 보도한 미국 퍼듀대의 혁신적 시험 성과를 소개한다. 이와 함께 뉴럴링크 BCI의 모델이라 할 스탠포드대 의대의 초기 BCI 시스템(2017), 그리고 뉴럴링크의 유력 라이벌인 호주 싱크론사의 사례도 함께 살펴본다. 싱크론은 지난 2020년 4월 마비환자에게 혈관 스텐트 전극을 이식한 후 분당 20자 정도를 치는 성과를 냈다. 지난해 말 제프 베이저스와 빌 게이츠가 이 회사에 투자했다.

인간이 컴퓨터와 스마트 기기 맘으로 조종···‘브레인터넷’ 시대 연다

미국 퍼듀대 과학자들이 사용자들에게 컴퓨터와 스마트 기기를 생각만으로 마음대로 제어하게 해 주는 ‘무선 통신’ 임플란트를 만들었다.

이 초저전력 무선 마이크로 임플란트 장치는 뇌의 여러 부분에 심어진다. 이는 데이터를 고속으로 전송할 수 있는 통합된 네트워크를 형성한다.

주목할 것은 이 임플랜트 칩들이 머리에 쓰는 웨어러블 방식의 장치와 무선 통신할 수 있다는 것이다. 이는 지금까지의 대부분 뇌 임플란트가 뇌와 연결되는 전선과 동력원을 필요로 했던 것과 큰 차이를 보인다.

비밀은 뇌조직을 통신 신호전달용 매질로 삼아 무선 신경 임플란트-외부 웨어러블 컴퓨터 간 통신을 실현한 데 있다.

미국 퍼듀대 과학자들이 개발한 이 무선통신 칩 모듈은 10센트 동전보다 더 작다. 이를 통해 데이터를 감지하고 귀 위에 걸린 헤드폰으로 데이터를 전송한다.

뇌 신호를 외부 기기와 연결하려는 시도는 많았지만, 신경 임플란트와 웨어러블 기기 간 고대역폭 무선 통신을 입증한 것은 이번 연구가 처음이다.

어떻게 뇌에 있는 칩이 뇌정보를 모아 헤드셋 웨어러블로 무선으로 정보를 직접 전달할까.

네이처 일렉트로닉스 저널의 초록에 따르면 이들인 제안한 접근법은 뇌에서 천천히 펼쳐지는 이른바 ‘2상 프로세스’에 의존한다. 이를 통해 뇌에 이식된 작은 센서가 인체의 생리학적 과정을 방해하지 않고 웨어러블 헤드폰 모양의 기기로 정보를 감지하고 전달할 수 있다.

연구팀은 이 혁신을 통해 사람들이 어디에 있든 인터넷, 컴퓨터 및 기타 스마트 기기에 연결할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구의 수석 연구원인 슈레야스 센은 “신체에서 생성된 심전도 신호가 신체를 통해 전달되면, 우리는 다양한 기술을 사용해 뇌조직을 통해 디지털 정보를 보낼 수 있다. 우리는 그 중 일부에 대한 특허를 가지고 있다”고 말했다.

센과 그의 동료들이 개발한 이 기술은 뇌 주변에 분포된 다양한 이식된 무선 기기들 사이의 저전력, 고대역폭 데이터 통신이라는 아이디어에 기초하고 있다. 이 분산된 이식물들은 피질(즉, 뇌의 외층)과 뇌 깊숙한 곳에 있는 다양한 뇌 영역을 기록하고 자극할 수 있다.

연구에 참여하지 않은 캘리포니아 주립 버클리대(UC버클리)의 잰 라베이는 “두개골 밖에서 이식칩으로 통신할 수 있는 기기를 갖는 것은 매우 매력적이다. 그것은 많은 사람들이 씨름해왔던 문제에 대한 흥미롭고 새로운 전환점이다”라고 말했다.

퍼듀대에서 박사과정생으로 이 연구를 이끌었고 현재 게인즈빌 플로리다 대학 교수인 바이합 채터지 교수는 “이 기술이 추가로 심뇌 무선 전력 전송 기술 발전과 결합되면 파킨슨병, 투렛 증후군, 뇌전증, 우울증, 불안 및 강박성 장애 등에 대한 근본적 통찰력을 얻을 수 있을 것이다”라고 말했다.

데이터 전송 및 에너지 하베스팅 기능을 갖춘 소형화된 무선 신경 센서 노드는 뇌-기계 인터페이스를 위한 초 저에너지 딥 임플란트를 실현할 혁신적 회로 및 시스템을 필요로 한다.

그는 “퍼듀대는 광범위하게 연구한 생체 조직을 임플랜트칩과 웨어러블 기기용 신호 전달 매체로 사용함으로써 저전력 고대역폭 데이터 통신을 할 수 있었으며, 뇌조직은 정전용량형 종단(終端·끝부분)을 사용해 전기 준 정전(EQS·Electro-Quasistatic ) 주파수(최대 10MHz)에서 광대역 채널을 제공한다는 것을 보여주었다”고 설명했다.

센 퍼듀대 연구원은 “이 발명으로 인간의 뇌는 ‘자체 광대역 통신’을 얻는다. 가장 주목할 만한 것은 뇌의 전기장 기반 통신이 임플란트-웨어러블 간 고속 통신을 위해 극도로 높은 대역폭과 중간 정도의 손실 채널을 제공한다는 것이다. 달성할 수 있는 대역폭은 기존의 광학, 자기, 초음파 또는 무선 주파수 기반 기술보다 상당히 높다”고 말했다.

이 최신 연구 성과는 부분적으로 퍼듀대 팀의 초기 연구들 중 하나인 전기-준 정적 인체 통신(Electro-Quasistatic Human Body Communication)을 의미하는 EQS-HBC라고 알려진 기술을 기반으로 이뤄졌다. 슈레야스 센 연구원은 “지난 8년 동안 인체 주변의 전기장 통신 분야를 연구해 왔으며 현재 상용화되고 있는 EQS-HBC와 같은 선구적인 기술을 연구해 왔다”고 말했다.

채터지 교수는 “이것을 임플란트에 적용하기 힘들게 만드는 독특한 과제로 만드는 것은 뇌에서는 전도성 조직이 임플란트를 완전히 둘러싸고 있다는 사실이며, 이는 지구의 지면에 대한 정전용량성 회귀 경로와 결합되는 것을 거의 존재하지 않게 만든다”고 말했다.

퍼듀대 연구진은 이른바 ‘시간영역-2상 유사 정지상태 뇌 통신’(TD-BPQBC·Time-Domain Bi-Phasic Quasi-static Brain Communication)를 제시해 아날로그-디지털 변환(ADC) 및 디지털 신호 처리(DSP)의 부담을 수신기가 맡도록 했다. 이는 뇌 신경 임플란트의 소형 저전력 센서 및 송신기와 몸(머리)에 착용하는 상대적으로 높은 전력을 사용하는 정보 수신용 웨어러블 기기간 비대칭 설계문제를 해결하기 위한 고안이었다.

어떻게 시술하고 통신하나?···뉴럴링크와 차이점은?

퍼듀대의 칩을 이식하기 위해 의사들은 두개골 위의 피부를 제거하고, 치과용 정밀 수술드릴을 사용해 양쪽 개두술을 시행했다.

개두술 후 정중선 두개골은 임플란트와의 접촉을 개선하기 위해 얇아지며, 임플란트는 일론 머스크의 뉴럴링크가 만든 것처럼 유선으로 뇌에 연결되지 않는다.

뉴럴링크는 칩을 뇌에 연결하기 위해 전극을 사용한다. 퍼듀대의 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 이러한 뇌 신호와 컴퓨터 간에 높은 대역폭의 상호작용이 가능하도록 설계됐다.

뇌를 포함한 인체는 선천적으로 작은 전기 신호의 생성에 기반하여 내부 통신을 지원할 수 있으며, 그 고속성으로 인해 신체 전체에 걸쳐 ‘광대역’ 채널을 형성한다. 퍼듀대의 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 이러한 뇌 신호와 컴퓨터 간 고대역폭 상호작용이 가능하도록 설계됐다.

이 연구의 수석 연구원인 슈레야스 센은 “일단 우리의 몸주변 전기장 기반 통신기술이 성숙해지면서 이것을 뇌 내부에서의 초저전력 고대역폭 임플랜트 칩-컴퓨터 간 통신에 적용할 수 있게 됐기 때문에 이 연구를 수행하는 것은 우리에게 명백한 선택이 됐다”고 말했다.

연구팀은 무선 신경 이식을 위해 준정적(準靜的·quasistatic) 뇌 통신이라고 불리는 2상 접근법을 사용하는 시스템을 개발했다. 준정적이라는 용어는 상대적으로 낮은 주파수에서 동작하는 신호를 의미한다.

채터지는 “이 연구에서 2상 준정적 뇌 통신(BP-QBC)이라는 기술을 사용해 1MHz에서 전력 소비를 약 41배 감소시켜 초저전력 광대역 통신 채널을 만들 수 있었다. 또한 우리 방식은 완전한 EQS 신호 전달 덕분에 초음파, 광학 및 자기 전기 데이터 전송과 같은 경쟁 기술에 비해 변환 손실이 발생하지 않으므로 시스템 손실을 줄일 수 있었는데 이는 이 기술의 또다른 독특한 장점이다.

연구팀은 다음 연구에서는 제안된 기본 원리를 바탕으로 여러 가지 추가 양식을 탐구할 계획이라고 밝혔다. 이미 이들은 제안된 시스템을 기반으로 다채널 감지까지 지원하는 새로운 버전 제작 연구에 들어갔다. 또한 이들은 신경 임플란트의 전력 소모를 줄일 수 있는 시스템 수준의 새로운 접근법 개발에도 나섰다. 비슷한 양의 에너지를 소비하면서도 더 많은 데이터를 전송할 수 있도록 하려는 것이다.

채터지는 “우리가 적극적으로 노력하고 있는 또 다른 분야는 전력전달 효율을 개선하고 임플란트의 전력 유출을 줄이는 것이다. 우리는 동시에 여러 임플란트와 여러 웨어러블 기기를 매끄럽게 연결시키는 것을 목표로 하는 신체인터넷센터(Center for Internet of Bodys)의 일부로서 중추 및 말초 신경계에 이 임플랜트 통신 기술을 다양하게 적용할 수 있는 가능성을 검토하고 있다”고 밝혔다.

센은 제품에 이런 종류의 기술이 포함되기까지는 적어도 10년은 더 가야 한다는 것을 인정했다. 그는 최근의 연구에서 증명된 ‘가장 큰 사건’은 뇌가 자신의 광대역을 얻을 수 있다는 것이었다고 말했다. .

퍼듀대 팀의 브레인 칩셋(SoC)은 800kSps(초당 800k샘플링)으로 감지 및 통신하는 동안 1.8마이크로와트(μW))(1μW=100만분의 1W)의 전력만을 소모하며, 송신기 에너지 효율은 최첨단 송신기보다 30배 이상 향상된 1.1pJ/b(1비트에 1.1피코줄. 1피코는 1조불에 1. 1줄(J)은 1뉴턴(N)의 힘으로 1m이동할 때 필요한 에너지. 칼로리로 변환하면 0.2390칼로리다.)

스탠포드대 의대의 선구적 성과

지난 2017년 2월 스탠포드대가 뇌 침습적(외과수술적) 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템인 ‘브레인게이트 뉴럴 인터페이스 시스템’ 이식 시험이 성공했다고 스탠포드의대 뉴스센터와 이라이프(eLife)를 통해 발표했다. 사고로 몸이 마비된 데니스 드그레이 씨(66)가 마음만으로 컴퓨터 커서를 움직여 분당 39개의 알파벳 문자를 컴퓨터 화면에 찍을 수 있게 됐다.

데니스 드그레이씨는 머리에 전극장치를 이식받고 유선으로 연결된 컴퓨터 자판을 이용해 생각만으로 컴퓨터 화면에 글자를 썼다. 뇌 이식 전극이 운동 피질로부터 수집한 신경 신호는 내장된 기록 장치에 의해 전자적으로 추출돼 컴퓨터로 전송됐다. 이는 연구진의 알고리즘에 따라 화면의 키보드에 있는 커서를 참가자가 지정한 문자로 지시하는 명령으로 번역됐다.

뉴럴링크의 새로운 시도

스탠포드대 의대의 시험결과에 가장 근접한 것이 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)가 세운 미국 뉴럴링크의 BCI 시스템 하드웨어들이다.

일론 머스크의 뉴럴링크는 2019년 처음 쥐를 가지고 1500개 전극(현재 1024개)을 가지고 쥐들을 대상으로 BCI칩 시험 결과를 발표하고 이를 바탕으로 투자를 받는다. 스탠포드대 의대 연구에서 더 발전하고 있다. 무엇보다도 크기가 작아졌다. 뇌(두개골 아래 3~4mm)에 칩을 박고 거기서 나오는 선을 귀 뒤로 빼내는 방식이다. 지난 5월 FDA로부터 인체 시험 승인을 받았다.

수집된 신호는 20KHz에서 디지털화된다. ADC 변환기는 10비트 해상도 즉, 1024 채널까지 가능하다. 스파이크 검출은 900나노(1나노=10억분의1)초의 의 속도로 수행할 수 있다. 시술시 작은 전극에 의한 흉터가 완화될 수 있을지는 아직 미지수다. 전극이 용해되고 부식되는 문제가 있는데, 전극의 크기가 작을수록 더 심해지는 문제가 있다. 뉴럴링크의 새로운 폴리머 프로브가 얼마나 오래 지속될지는 알 수 없다.

싱크론의 새로운 시도와 성공

호주 근위축성 측삭 경화증(ALS) 환자인 필립 오키프 씨(62)는 싱크론사가 개발한 ‘스텐트로드’ 이식 시험에 참여해 그 편익을 누리고 있다. 그는 2020년 4월 시술을 받았고 커서클릭을 제어할 수 있게 됐다. 이후 부작용없이 장치와 함께 살고 있다. 이 회사 BCI 장치는 뉴럴링크 등의 업체가 수행하는 머리를 뚫는 수술과 그에 따른 흉터를 피할 수 있는 방식이다. 목뒤 정맥을 통해 뇌 정맥 근처 혈관으로 작은 센서가 장착된 정보 수집용 금속전극(스텐트로드) 16개를 보내고 이를 가슴 피부밑에 위치한 안테나와 연결시킨다. 이것이 몸에서 날 것의 뇌 데이터를 수집해 외부 장치로 보낸다. 이 장치는 약 1000개의 뉴런 (신경세포) 집단의 활동을 읽고 분당 20자(4분에 한 문장 정도)를 처리할 수 있다. 2021년 12월 그는 세계최초로 BCI를 사용한 트위터를 한 사람이 됐다. 센서가 체액에 용해되지 않고 얼마나 오래가는지가 중요해진다.