생각만으로 세상을 움직인다 

최근 SF 영화에서나 보던 장면들이 현실화되고 있다. 생각만으로 로봇을 제어하거나 텍스트를 입력하는 등 뇌의 신호를 컴퓨터와 연결하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI) 기술이 급격히 발전하며 새로운 혁신의 시대를 열고 있다. KB금융지주 경영연구소는 25일 발간한 ‘생각으로 사물을 동작시키는 뇌-컴퓨터 인터페이스’ 보고서를 통해, BCI 기술이 인간의 뇌신경 활동을 수집하고 해석해 다양한 분야에 적용하는 차세대 융합 기술로, 일상과 산업의 판도를 근본적으로 바꿀 잠재력을 지녔다고 강조했다.

BCI는 인간의 뇌파를 신경 전달 신호로 변환하는 기술로, 이를 수집·분석하는 과정에서 인공지능(AI)이 결합하면서 그 성능이 비약적으로 향상되고 있다. 기업들의 활발한 기술 참여도 BCI 시장의 고도화에 기여하고 있다. 특히 BCI 기술은 뇌파 측정 방식에 따라 비침습식과 침습식으로 나뉜다. 비침습식 BCI는 피부를 관통하지 않고 외부에서 뇌파를 측정하는 장치로, 헬멧처럼 머리에 장착하는 방식이다. 반면 침습식 BCI는 전극을 직접 뇌에 삽입해 신호를 수집하는 방식으로, 파킨슨병 치료에 활용되는 뇌 심부 자극술이 대표적이다.

과거에는 단순히 신경 신호를 추출하고 분류하는 수준에 머물렀던 BCI 기술이 최근 딥러닝과 같은 고도화된 AI 기술의 도입으로 개별 신호를 빠르고 정확하게 해석해 더욱 정교한 결과를 제공할 수 있게 됐다. 이에 따라 의료 분야를 필두로 BCI 시장이 빠르게 성장하고 있으며, 2032년 글로벌 BCI 시장이 약 94억 9천만 달러에 이를 것으로 전망한다. 이미 뉴욕타임스는 BCI를 21세기 8대 신기술 중 하나로 선정했으며, MIT 테크놀로지 리뷰 또한 이를 10대 차세대 기술로 평가한 바 있다.

또한 BCI 기술이 재활, 움직임 보조, 가상현실과 같은 다양한 응용 분야에서 신체적·공간적 제약을 극복할 수 있는 원천 기술로 자리 잡을 것으로 예측했다. 딥러닝 기술이 뇌파 데이터의 학습과 패턴 인식에서 뛰어난 성과를 보이면서, 시각 정보를 재현하거나 생각을 글로 출력하는 등 기술 발전이 가속화되고 있다. 대표적으로 일론 머스크의 뉴럴링크(Neuralink)와 같은 뇌신경 과학 스타트업들이 적극적으로 이 시장에 진입하면서, 관련 제품 출시 및 시장 확장이 기대된다.

스위스 로잔연방공과대학은 최근 쥐의 뇌 신호를 AI 모델을 통해 사진 이미지로 변환하는 기술을 개발했다. 스탠퍼드대학 연구팀은 척수 장애로 거동이 불편한 환자의 뇌 피질에 전극을 삽입해 분당 18개의 단어를 상상만으로 타이핑할 수 있는 딥러닝 시스템을 구현했으며, 또한 캘리포니아대학은 뇌파와 AI를 결합해 94%의 정확도로 분당 7개의 단어를 타이핑하는 기술을 선보였다. 이러한 혁신 사례들은 BCI 기술이 생각만으로도 복잡한 작업을 처리할 수 있는 수준으로 발전하고 있음을 보여준다.

기술 발전과 함께 촉각을 모사하는 기술과 BCI를 통합한 정교한 로봇 팔의 실용화 가능성도 주목된다. 피츠버그대학은 사고로 팔을 사용할 수 없는 환자의 뇌에 전극을 삽입해 로봇 팔을 제어하고, 물체를 잡는 촉감을 다시 뇌에 전달하는 시스템을 개발했다. 또한 미국 바텔연구소는 척추 손상으로 감각을 잃은 환자에게 BCI 시스템을 통해 손 감각을 회복시키는 기술을 구현했다.

BCI 기술의 상용화 가능성은 실리콘밸리를 중심으로 실험적 제품들이 연이어 출시되면서 더욱 구체화하고 있다. 빌 게이츠와 제프 베이조스의 후원을 받은 호주 스타트업 싱크론(Synchron)은 뇌 수술 없이 혈관을 통해 이식할 수 있는 뇌 임플란트를 개발해, 2022년 루게릭 환자에게 이식하는 데 성공했다. 이 기술은 환자의 안전성을 크게 개선했으며, 해당 환자가 트위터 계정에 트윗을 작성한 사례는 큰 주목을 받았다.

보고서는 전 세계적으로 인구 고령화가 가속화됨에 따라, 퇴행성 질환 치료에 있어 BCI 기술의 역할이 더욱 중요해질 것으로 전망했다. 특히, 치매, 파킨슨병, 뇌졸중 등 퇴행성 질환 환자가 급증함에 따라 의료 및 헬스케어 분야에서 BCI의 적용이 확대될 것으로 보인다. 이와 함께 기술의 발전과 장치의 소형화는 앞으로 BCI가 모빌리티, 기능성 게임, 오감 활용 인터페이스와 같은 다양한 분야에서 널리 활용될 가능성을 열어놓고 있다. 스마트폰 제어나 음악 재생 같은 간단한 기기 제어뿐만 아니라, 생각만으로 운전이 가능한 모빌리티 기술도 현실화할 전망이다.

마지막으로 KAIST와 한양대 연구팀은 탄소나노튜브 시트를 활용한 다기능성 섬유형 신경 인터페이스를 개발해, 1년 이상 사용할 수 있는 삽입형 신경 인터페이스를 공개했다. 이는 향후 뇌 지도 작성과 질환 연구, 치료에 있어 중요한 기초 기술로 자리매김할 전망이다. KB금융지주 심경석 연구위원은 “현재 BCI는 외부 컴퓨터와 연결된 복잡한 시스템이지만, 미래에는 인체 내 삽입되거나 부착되는 형태로 진화하며 다양한 뇌 기능을 수행할 것”이라며, “BCI 기술의 발전에 있어 개인정보 보호, 윤리성, 안전성 확보를 위한 제도적 기반 마련이 중요하다”고 지적했다.

뇌파로 재활의 새 시대 연다; 네오팩트, BCI와 로봇 기술 결합한 혁신 기기 개발

네오펙트가 산업통상자원부 주관의 ‘2021년 국제공동기술개발사업’ 과제에 선정되어, 뇌졸중 환자를 위한 두뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)와 소프트 로보틱스를 결합한 홈 재활 보조 기기를 개발한다고 16일 발표했다. 이번 개발 프로젝트는 분당서울대병원 재활의학과 백남종 교수 연구팀과 독일 베를린 샤리테(Charité) 대학병원과의 협업을 통해 진행된다.

네오펙트에 따르면, 뇌파 측정용 전극(EEG)을 활용한 BCI 기반의 상지 보조 소프트 로봇 기술 개발은 국내 최초로 시도되는 프로젝트다. 분당서울대병원과 독일 샤리테 대학병원은 BCI와 기타 생체 신호 기반 알고리즘을 공동 개발하며, 개발된 기술의 효용성을 검증하기 위해 한·독 양국에서 임상시험을 수행할 계획이다. 이후 분당서울대병원은 소프트 로봇 시스템과 BCI 기반 융합 시제품에 대한 사용자 평가를 진행하게 된다.

네오펙트는 상자 재활 소프트 로봇 시스템과 가상현실(VR) 홈 재활 콘텐츠를 개발하고 이를 제품화할 계획이다. 이번 기술 개발이 완료되면, 1년 내에 제품을 출시하고 국내외 시장에서 상용화하는 것이 목표다.

BCI 기술을 재활 로봇에 적용함으로써, 기존 재활 기기의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 솔루션이 제공될 전망이다. 네오펙트는 BCI 기술을 통해 중증 뇌졸중 환자나 편마비 환자도 재활치료에 보다 적극적으로 참여할 수 있으며, 양손 작업이 어려운 환자도 일상 생활에서 다양한 작업을 수행할 수 있을 것이라고 설명했다.

한편, BCI는 인간의 뇌와 컴퓨터를 연결하는 최첨단 기술로, 뇌파를 분석해 이를 로봇이나 전자기기를 제어하는 데 활용된다. 뇌파로 전달되는 전기 신호를 분석해 환자의 의도를 파악하고, 이를 통해 재활 장비의 작동을 유도함으로써 효과적인 재활 훈련이 가능해진다.

뇌졸중 환자를 위한 혁신적 재활 솔루션

미국에서 뇌졸중 환자의 상지 재활을 돕는 새로운 기기가 FDA 승인을 받으며 주목을 끌고 있다.

이번에 승인된 뉴로솔루션스의 ‘입시핸드 상지 재활 시스템’은 특히 비침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 적용한 최초의 상지 재활 기기라는 점에서 그 의미가 크다.

입시핸드 시스템은 처방용 재활 기기로 병의원에서 뿐만 아니라 환자의 자택에서 사용 가능하다. 시스템의 구성 요소는 무선 EEG 전극이 장착된 헤드셋과 배터리로 구동되는 로봇 외골격으로 이루어져 있다. 이 외골격은 마비된 손과 팔에 착용되어, 환자의 움직임을 보조한다.

작동 원리는 EEG 데이터를 무선을 태블릿에 전송해 환자의 의도된 움직임을 분석한 후, 그 신호를 팔의 보조 기기로 다시 전달하는 방식이다. 이를 통해 환자는 자신의 생각대로 손과 팔을 움직일 수 있게 된다. 특히 이 시스템은 뇌졸중 환자가 물체를 잡는 능력을 다시 훈련하고, 악력을 개선하는 데 도움을 준다.

임상시험에서는 40명의 뇌졸중 환자를 대상으로 12주 동안 비맹검 방식으로 테스트가 진행되었으며, 모든 참가자가 움직임의 기능적 개선을 경험한 것으로 나타났다. 부작용으로는 경미한 피로, 불편감, 일시적인 피부 발적이 보고되었지만, 대체로 안전한 것으로 평가되었다.

다만, 손목이나 손이 심하게 경직되었거나 구축이 있는 환자의 경우 보조기 착용이 어려울 수 있어 사용을 피해야 한다. 또한, 개두술이나 두 개절제술로 인해 두개골에 결함이 있는 환자도 이 제품을 사용할 수 없다.

입시핸드 시스템은 FDA로부터 혁신 기기로 저장되어 드 노보(de novo) 경로를 통해 허가를 받았다. 이 기기는 워싱턴대 신경외과 및 생체공학 교수가 협력하여 발명한 것으로, 2007년에 설립된 뉴로솔루션스가 그 개발에 주도했다. CDC에 따르면 매년 약 79만 5천 명의 미국인이 뇌졸중을 경험하고 있어, 이 기기가 뇌졸중 재활 치료에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

치매 정복을 위한 다기관 협력 연구 및 기술 개발 활발

치매 극복을 위한 다양한 기관들의 연구 및 협력 활동이 지난해에 이어 올해도 꾸준히 이어지고 있다. 특히 치매 관련 데이터와 연구 기술의 결합을 통해 중개연구의 중요성이 커지면서, 이를 기반으로 한 협력 체계 구축 사례가 점차 증가하는 추세다.

치매 분야에서 기초과학 연구 결과를 임상에서 실제로 활용할 수 있는 중개연구의 중요성은 전문가들 사이에서 더욱 강조되고 있다. 이러한 맥락에서 다수의 기관이 협약을 통해 연구 및 개발을 촉진하고 있으며, 이러한 움직임은 향후 더욱 활발해질 것으로 보인다.

최근에는 치매극복연구개발사업단과 한국바이오협회가 치매 관련 연구 과제의 사업화를 촉진하기 위한 업무협약을 체결했다. 이 협약을 통해 두 기관은 치매 예측 및 조기 진단 기기, 치료제 개발 을 위한 연구 개발을 공동으로 추진하고, 이를 사업화하는 전략을 도출하며, 양 기관 간의 교류를 확대할 계획이다. 또한, 새로운 사업 기획 및 연구개발 네트워크 구축과 자문을 통한 상호 협력도 약속했다.

치매극복연구개발사업단은 대한치매학회와도 업무협약을 체결했다. 이번 협약은 치매 치료 및 예방을 위한 연구 과제 기획, 자문 및 평가와 같은 협력 활동을 강화하기 위한 것이다. 이와 더불어, 대한약학회와의 협약을 통해 치매 원인 규명 및 치료제 개발을 위한 제약·바이오 헬스케어 분야의 벤처와 기업, 대학, 연구기관 간의 동반성장 생태계를 구축하고 인력 양성 및 학술 프로그램을 운영할 계획이다.

치매 연구와 관련한 산학 협력도 활발히 이루어지고 있다. 줄기세포 전문기업 미라셀은 연세대 세브란스 병원과 함께 중추신경계 및 심혈관계 질환에 특화된 줄기세포 치료 기술 개발을 위한 업무협약을 체결했다. 이 협약을 통해 두 기관은 중추신경계와 심혈관계 질환 환자를 대상으로 줄기세포를 통한 비수술적 치료법을 개발하고, 이를 임상 연구에서 검증할 예정이다. 또한 공동 학술회의 및 세미나 개최와 연구 시설·장비의 공동 활용도 진행된다.

아이메디신은 KAIST 바이오 및 뇌공학과와 뇌파 실시간 처리 및 분석을 위한 BCI(Brain-Computer Interface) 기술 개발을 목적으로 업무협약을 체결했다. 이번 협약은 아이메디신의 뇌파 바이오마커 기술과 KAIST의 첨단 연구 능력을 결합해, 치매를 비롯한 신경정신질환의 예방적 통합 멘털케어와 신약 개발을 지원하는 AI 기반 디지털 헬스케어 플랫폼을 개발하는 것을 목표로 한다. 이 협력으로 BCI 연구, 뇌파 자동 분석 솔루션인 iSyncWave™ 기반 연구와 뉴로모듈레이션, 뉴로 피드백 등의 연구가 진행될 예정이다.

이대목동병원은 양천구 치매안심센터와 디지털치료제 전문기업 하이와 함께 치매 조기 선별을 위한 스마트폰 애플리케이션 ‘알츠가드(Alzguard)’ 활용에 관한 업무협약을 체결했다. 이 협약은 AI와 디지털 바이오마커를 활용해 경도인지장애(치매)를 조기 선별하고 예방하기 위한 것으로, 양천구 치매안심센터에서 수집한 데이터를 통해 선별 정확도를 높이고, 사용자 의견을 반영해 UI/UX 개선 방안을 도출할 계획이다. 이외에도 치매 예방과 통합적 서비스 제공, 보건·의료·복지 네트워크 구축을 위한 다양한 활동이 진행될 예정이다.

이처럼 치매 정복을 위한 다양한 기관 간의 협력은 기술력의 시너지 효과를 발휘할 뿐만 아니라, 지역사회의 치매 관리 발전에도 기여할 것으로 기대된다. 지속적인 다기관 협력 연구를 통해 치매 정복에 한 발 더 다가설 수 있는 중요한 발판이 마련되고 있다.

[참고기사]

https://www.newsian.co.kr/news/articleView.html?idxno=68999

https://www.docdocdoc.co.kr/news/articleView.html?idxno=2009774

http://www.bosa.co.kr/news/articleView.html?idxno=2149381

https://www.dementianews.co.kr/news/articleView.html?idxno=5083