최근 두뇌(뇌파)와 컴퓨터를 직접 연결해 기기를 제어하는 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain Computer Interface)’가 세계적으로 각광받고 있다.

BCI는 뇌과학을 이용, 뇌파를 읽고 제어해 기계가 사용자의 의지에 따라 움직일 수 있도록 하는 기술이다.

현대적 의미의 뇌과학은 1920년대 들어 뇌전도(EEG**) 등 뇌기능 측정기술이 도입되면서 시작됐으나, 1990년대부터 미국·유럽·일본 등은 민간 차원이 아닌, 국가 차원에서 뇌과학 연구를 진행하고 있다.

뇌 움직임 분석해 의도 파악 … 비침습성 분석기 나오며 연구 급물살

우리의 뇌는 신체동작을 의도하거나 외부자극에 반응할 경우, 일부 영역의 파장이 변하는데 이를 측정해 인간의 의도 및 상태를 분석할 수 있다. 이 중 신체근육의 움직임을 주로 관장하는 전두엽의 신경세포 활동을 전극으로 측정해 패턴을 추출하는 것이 바로 ‘뇌파분석’이다.

▲ ‘BCI’실행과정 흐름도(출처=삼성경제연구소).

이 뇌파분석을 신호로 전달한 뒤 컴퓨터 등을 통해 사람의 의사를 분석해 기계가 원하는 동작을 실행할 수 있도록 하는 것이 BCI다.

과거 뇌파분석은 두개골을 뚫고 뇌 피질의 직접 신호를 측정하는 방법(침습식)으로 시행했으나, 최근에는 헤드셋 형태의 비침습식 장치가 나오면서 연구에 급물살을 타게 됐다.

생각만 하면 기계 움직여 … 장애인 불편 덜어줄 수도

연구자들이 BCI에서 가장 활발히 연구하고 있는 분야는 의료·재활을 위한 헬스케어다.

몸이 불편한 환자 혹은 장애인의 활동을 읽어 일상생활을 가능하도록 하고 재활에 도움을 줄 수 있다는 것이다.

실제로 지난 2001년부터 미국 DARPA(미 국방부 산하 방위고등연구계획국)는 전쟁에 참여했다가 팔이나 다리를 잃은 군인을 대상으로 뇌파제어기술을 이용한 인공 팔·다리를 개발하고 있다. 이 연구는 현재 로봇 의수·의지가 환자의 뇌신경활성도를 측정해 기계를 제어하고 원하는 동작을 수행하는 단계까지 이르렀다.

▲ (왼쪽부터) 로봇팔을 이용해 초콜렛을 먹는 사지마비 환자와 알루미늄 캔을 따는 의수 착용자(출처=삼성경제연구소).

DARPA는 나아가 뇌에 이식한 칩을 통해 손가락의 움직임까지 정교하게 조종할 수 있게 하는 연구를 진행중에 있다.

민간연구기관의 기술 개발도 활발하다. 미국 피츠버그의대와 UPMC(피츠버그 대학병원) 연구팀은 2012년 뇌에 6.4㎠가량의 기기를 이식해, 사지마비 환자의 생각에 따라 로봇을 동작할 수 있도록 하는 데 성공했다.

또 스위스 로잔공대의 톰 칼슨 박사는 지난 2011년 운동을 관장하는 뇌 부분의 두피에 센서를 연결해 환자가 이동할 방향을 상상하면 그대로 움직일 수 있는 전동휠체어 시스템을 개발했다.

기계로 이심전심 … 타인에게 생각 보내는 기술까지

BCI가 의료 분야에서 쓰일 수 있는 다른 한가지는 생각이나 의도를 다른 사람의 뇌로 전달하는 기술이다.

이 기술은 BCI를 이용해 컴퓨터로 변환된 뇌파신호를 상대방 뇌의 운동피질 영역에 전달하는 방식으로 이뤄졌다.

DARPA는 최근 말이 아닌 뇌파로 상대에게 말하고 싶은 내용을 전달하는 ‘Silent Talk’ 프로젝트를 추진중인데, 이는 BCI가 ‘말이 되기 전 상태’의 신호를 검출해 타인의 뇌에 전달하는 형태다.

▲ 라제시 라오 교수팀이 성공한 ‘사람간 뇌-뇌 인터페이스’ 실험 장면(출처=삼성경제연구소).

뇌파를 통한 의사 전달은 지난 2013년 미국 워싱턴주립대 라제시 라오 교수팀이 한사람의 뇌파를 다른 사람에게 보내 그의 손가락을 움직이게 하는 ‘사람간 뇌-뇌 인터페이스’ 구축에 최초로 성공하면서 새롭게 각광받게 됐다.

이같은 기술이 발달하면 말을 하기 불편한 루게릭병 등의 희귀질환 환자를 비롯, 사지마비 환자, 후두암 환자 등이 뇌파를 통해 타인에게 자신의 의사를 표시할 수 있어, 현재 다양한 국가에서는 이를 의료·군사 분야에 적용하기 위한 연구를 펼치고 있다.

게임 개발업체는 이미 상용화 … 집중력 결핍 치료도 쓸 수 있어

▲ ‘마인드플렉스’게임 시연 장면(출처=美마텔사).

BCI기술을 가장 먼저 상용화해 도입하고 있는 곳은 게임사다. 게임은 의료나 재활과는 달리 안전성 문제가 비교적 적어 실용화가 빠르게 진행되고 있다.

미국의 게임개발사인 마텔은 게임 사용자가 헤드셋을 쓰고 게임판을 집중해서 바라보면 뇌파를 전달해 본체의 팬과 공을 움직여 장애물을 피하는 ‘마인드 플렉스’라는 게임을 선보였으며, 호주 이모티브사는 자사의 헤드셋을 쓰고 뇌파를 조종하면 게임 속 캐릭터가 불덩어리를 쏘는 뇌파 조종게임 ‘Arena’를 출시했다.

엔터테인먼트 분야에서 한가지 주목할 기능은 ‘집중력 치료’다. 뇌파 측정센서를 부착한 환자가 집중하면 화살이 과녁 중앙을 맞추는 등의 행동은 아동의 집중력결핍·ADHD 치료에도 큰 도움이 될 수 있을 것이라고 전문가들은 예측했다.

“아직은 초기단계 … 공동연구로 세계 경쟁력 확보해야”

전문가들은 뇌과학 분야는 시작 단계지만 국가가 나서 네트워크 및 공동연구를 유도, 세계시장을 선도할 수 있는 경쟁력을 만들어야 한다고 조언한다.

삼성경제연구소 정동영 수석연구원은 “뇌-컴퓨터 인터페이스를 포함한 뇌과학 기술은 아직 초기 단계이며 오랜 연구 기간과 예산이 필요하지만 당장은 상용화하기 힘든 분야”라며 “국가 차원에서 기초·협력연구를 주도하고 긴 안목으로 투자할 필요가 있다”고 말했다.

정 연구원은 “또한 BCI의 기본 기술인 뇌과학은 인지과학, 의공학, 전기·전자공학 등 다양한 분야의 학문이 연계돼 있으므로 학제적 융합연구가 필요하다”며 “분야간 네트워크·공동 연구 등을 적극적으로 유도해야 한다”고 강조했다.

실제로 미국이나 일본, 유럽 등은 BCI를 포함한 뇌과학 연구를 국가 중점기술로 선정하고 10년 이상 공동 연구를 추진하고 있는데 반해, 우리나라는 정부 주도형 뇌과학 연구 추진 외에 아직은 이렇다할 네트워크·공동 연구를 진행하지 못하고 있어 세계 각국에 비해 관련 분야 성장이 더딘 상황이다.

그는 “뇌과학의 경영 및 산업 활용은 아직 초기 단계이므로 기업들 역시 마케팅, 신기술 개발 등에 활용해 경쟁력 차이를 만들어낼 필요가 있다”고 덧붙였다.

-대한민국 의학전문지 헬스코리아뉴스-