뇌 기능 향상을 위한 브레인 임플란트 (Brain Implant) 연구 상용화 동향

  브레인 임플란트 (Brain Implant)는 뇌심부 자극술 (Deep brain stimulation, DBS)와 망막 임플란트가 현재 상용화중이고 기억 및 인지능력 향상을 위한 연구는 상용화를 위한 많은 연구가 진행중이다. 브레인 임플란트 산업의 성장에는 정부 주도의 대형 연구 프로젝트가 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 이 중 대표적인 것이 미국 DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency)의 NESD (Neural Engineering System Design)와 TNT(Targeted Neuroplasticity Training) 프로젝트이다. NESD 프로젝트는 뇌의 신경을 흐르는 전기 신호와 IT 장치에 사용되는 디지털 신호를 번역하고 생물과 전자 기기를 연결하여 시각이나 청각에 장애가 있는 사람의 뇌에 화상이나 음성 정보를 보내는 등의 응용을 목표로 설정하고 2017년부터 4년간 6천만 달러의 연구자금을 투입하고 있다. TNT(Targeted Neuroplasticity Training) 프로젝트는 두뇌에 초소형 칩을 삽입하여 국가안보임무와 관련된 기술에 대한 학습을 ​​ 위하여 단기간의 기억력을 극대화하는 기술을 연구하고 있다. DARPA는 이외에도 RAM (Restoring Active Memory) 브레인 이니시에이티브, HAPTIX (Hand Proprioception and Touch Interfaces) 브레인 이니시에이티브, ELECTRX (ELEctrical Prescriptions) 브레인 이니시에이티브 등의 프로젝트도 운영하고 있다.

  DARPA 프로젝트를 기반으로 신트론 (Synchron)과 파라드로믹스 (Paradromics) 등이 설립되었고, 상업화 가능성을 높게 본 기업가들의 투자로 뉴럴링크 (Neuralink)와 커널 (Kernel)이 설립되었다.

  혈관 및 신경내과 의사이자 혈관내 생체공학전문가인 Thomas Oxley가 2012년 호주 멜버른대에서 박사학위 취득 과정에서 DARPA 등으로부터 850만 달러의 연구비를 지원받아 새로운 스텐트 전극 (stentrode) 신경 인터페이스 개발을 위한 실험실을 구성하였다. 이 실험실에서 혈관을 통해 뇌에 이식가능한 센서 장치 스텐드로드 (stentrode)를 개발하고, 이를 기반으로 멜버른대 분사기업으로 스마트스텐드 (SmartStent)를 설립하였다. 토마스 옥슬리는 2016년 연구결과를 발표하고[1], 미국 실리콘 밸리에 신트론을 설립하였다. 신크론은 1,000만 달러의 투자를 유치하고, 스마트스텐트를 인수하였다. 신크론은 스텐트로드로 수집된 신경신호로 사지가 마비된 환자들이 외골격 및 로봇 보철물로 활동할 수 있는 기술을 개발중이다.

  파라드로믹스는 스탠포드대학의 박사후연구원인 Matthew Angle이 2015년 설립하였다. 그는 나노기술과 신경과학에 대한 지식을 배경으로 물리학자, 전기, 소프트웨어 및 기계 엔지니어 팀을 구성하여 뇌와 컴퓨터 간의 데이터 전송 속도를 1,000배 증가시키는 차세대 두뇌 - 기계 인터페이스를 개발중이며, 2019년 관련 기술을 미국 특허청에 등록하였다[2]. 신경 입출력 버스(Neural Input–Output Bus, NIOB)는 유효 전송속도가 1Gbps이상으로 두뇌 활동을 읽고 자극할 수 있을 예정이며[3], 이 기술로 말하기 능력을 상실한 루게릭병 환자들이 유창하게 말할 수 있게 할 것으로 기대된다. 파라드로믹스는 2017년 DARPA NESD 프로젝트로부터 1,830만 달러의 고대역폭 피질 임플란트의 개발 계약을 수주하였고, 2018년에는 700만 달러의 투자를 유치하였다. 개별 뉴런이 개별 채널로 소통할 수 있도록 파라드로믹스는 65,536개의 채널로 뇌 활동을 기록하는 아르고 (Argo) 신경 활동 기록 시스템을 개발중인데, 이 장치는 초당 24기가 비트의 데이터를 생성한다고 추측되며, 향후 동물실험 예정이다.

  뉴럴링크는 테슬라 창업자 겸 최고경영자인 Elon Musk가 2,700만 달러를 투자하여 2016년 설립하였다. 임플란트 BCI 장치로 뇌질환을 치료하려는 목표를 가지고 있으며 장기적으로는 인간 능력의 향상이라는 목표를 가지고 있다. 머스크는 고대역폭 BMI 시스템을 향한 Neuralink의 첫 단계를 2019년에 발표하였다[4]. 이 연구에서는 작고 유연한 전극 스레드(threads) 어레이를 구축했으며, 어레이당 최대 3,072개의 전극이 96스레드에 분산되어 있다. 또한 분당 6개의 스레드 (192개의 전극)를 삽입할 수 있는 신경 외과로봇을 제작하였다.

  커널은 USC Theodore Berger 교수의 연구를 기반으로 2016년 설립되었다. 온라인결제플랫폼 브레인트리(Braintree)를 페이팔에 8억$를 받고 매각하고, 과학기술 분야에 투자하고 있는 Bryan Johnson이 창업자금 1억$을 투자하고, CEO로 참여하였다. 현재는 MIT의 Ed Boyden 교수, 노스웨스턴대 Konrad Kording 교수, 콜롬비아대 Ken Shepard 교수 등이 과학자문위원으로 참여하고 있다. 커널의 선임 과학자인 Randal Koene은 2040년경 신경보철이 인간의 능력을 향상시키는 데 사용될 것으로 전망하고 있다[5].

  관련 연구로 UPenn Michael J. Kahana 교수팀은 측두엽 피질의 전기 자극의 기억력 향상 연구결과를 2018년에 발표하였다[6]. 직접 뇌 자극은 파킨슨 병과 간질의 증상을 차단하는 표준 도구로 대부분의 경우 뇌 활동에 관계없이 전기 신호가 정적으로 유지되는 개방 루프 (open-loop)접근법을 사용한다. 최근 전극이 뇌의 활동을 모니터하고 신경 피드백을 기반으로 한 자극을 적용하는 폐쇄 루프(closed-loop) 접근법을 사용하기 시작하였다. 연구진은 폐쇄루프 접근법으로 측면 측두엽을 자극하여 15%의 기억력 향상 효과를 얻었다. DARPA의 지원으로 진행되는 이 연구는 뇌손상을 경험한 재향군인을 위한 브레인 임플란트의 개발에 활용될 것으로 기대된다.

  도쿄대 Yuji Ikegaya (池谷裕二) 교수팀은 쥐의 뇌에 칩을 삽입하여 여섯 번째 감각을 창출하는 연구결과를 2015년에 발표하였다[7]. 이 연구에서는 지자기를 감지하고, 자극 전극을 통해 뇌에 자극을 쓰기 미세한 ‘자기 센서 뇌 칩 (geomagnetic prosthetics)’을 개발하였고, 이 칩을 눈이 보이지 않는 쥐의 뇌에 삽입하여 2일 훈련에서 마치 눈이 보이는 것처럼 미로 먹이를 찾을 수 있게 되었다. 이는 본래 몸에 갖춰지지 않은 감각으로도 뇌는 유연하고 신속하게 적응하고 유용한 정보 소스로 활용할 수 있는 것이 증명한다. 이번 결과는 뇌의 잠재 능력을 암시하며 감각 획득 보편적인 메커니즘의 해명에 이어질 수 있으며, 또한 시각 장애인이 사용하는 흰 지팡이에 방위 자석 센서를 설치하는 등 감각 결손의 치료를 위한 새로운 접근을 개척할 수 있을 것으로 기대된다.

  브레인 임플란트 산업의 미래연구로 Jebari and Hansson[8]은 2032년의 시나리오를 작성하였다. 이 연구에서 유럽에서의 엄격한 규제 시나리오는 상대적으로 경제적 및 기술적 쇠퇴를 가져오고, 관대한 규제는 의료 사고 초래 혹은 세대갈등, 사회불안 및 사회적 규범의 악화를 초래하는 모습을 보였다. Fox[9]는 비장애인들이 브레인 임플란트를 사용하기 시작하고, 이것이 웨어러블 기기 (wearable devices)나 로봇을 대처할 가능성도 제기하였다. Pant, et al.[10]은 브레인 임플란트가 2035년에 장애인을 위한 중요한 기술이 될 것이나, 경제적 이유로 이를 활용하지 못하는 사람들이 많을 것으로 예측하였다. 이상의 연구를 보면 뇌기능 향상을 위한 브레인 임플란트가 10여년 뒤에는 보편적으로 상용화될 가능성도 상당히 높을 것으로 평가된다.
 

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[1] Oxley, Thomas J., et al. "Minimally invasive endovascular stent-electrode array for high-fidelity, chronic recordings of cortical neural activity." Nature biotechnology 34.3 (2016): 320.

[2] US Patents US10327655B2 (2019-06-25, Application granted), “Neural- interface probe and methods of packaging the same,” Inventor: Matthew R. Angle, Yifan Kong, Current Assignee: Paradromics Inc

[3] Kollo, Mihaly, et al. "CHIME: CMOS-hosted in- vivo microelectrodes for massively scalable neuronal recordings." bioRxiv (2019): 570069.

[4] Musk, Elon. "An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels." BioRXiv (2019): 703801.

[5] Randal Koene (2017), “The Future of Neurotechnology: From Brain Augmentation to Whole Brain Emulation”, 2017 Sharp Brain Virtual Summit

[6] Ezzyat, Youssef, et al. "Closed- loop stimulation of temporal cortex rescues functional networks and improves memory." Nature communications 9.1 (2018): 365.

[7] Norimoto, Hiroaki, and Yuji Ikegaya. "Visual cortical prosthesis with a geomagnetic compass restores spatial navigation in blind rats." Current Biology 25.8 (2015): 1091-1095.

[8] K. Jebari & S. Hansson. (2013). European public deliberation on brain machine interface technology: five convergence seminars. Science and engineering ethics, 19(3), 1071-1086.

[9] S. Fox. (2018). Cyborgs, robots and society: Implications for the future of society from human enhancement with in-the-body technologies. Technologies, 6(50), 1-11.

[10] P. Pant, et al. (2018). Technology foresight study on assistive technology for locomotor disability. Technology and Disability, 29(4), 163-171.