식물인간과의 소통연구 상용화동향

  캐나다 Western대 Adrian Owen교수는 2006년 fMRI를 이용하여 식물인간의 인식을 감지하는 연구결과로 세계 언론의 주목을 받았다[1]. 2010년 후속 연구에서는 5년 이상 식물인간인 환자가 Yes No 질문에 응답하는 것을 보여주었다[2]. 이 획기적인 발견은 임상 진료, 진단, 의료 윤리 및 의학 / 법률적 의사 결정 (심한 뇌손상 후 삶의 연장 등)에 큰 영향을 미쳤다[3]. 이후 EEG, fMRI, fNIRS 등을 활용하는 식물인간과의 소통을 위한 기술들이 많이 연구되고 있다[4].

  이태리 나폴리대학의 Luigi Trojano 교수팀은 안구추적으로 식물인간과의 소통 연구결과를 2012년에 발표하였다[5]. 네덜란드 Utrecht 대학병원 Nick Ramsey 교수팀은 루게릭병으로 인한 신체마비로 의사소통이 불가능한 환자를 위한 임플란트 BCI 연구결과를 2015년에 발표하였다[6]. 연구진은 4개의 전극으로 구성된 스트립 4개를 두뇌에 부착하고, 이 전극에서 오는 신호를 증폭하고 송신할 수 있는 기기를 왼쪽 쇄골 피부밑에 배치하는 수술을 실시하였다. 신체는 마비되었지만 신체를 움직이려고 하는 뇌피질의 활동을 임플란트 전극으로 파악하여 음성컴퓨터를 통하여 의사소통이 가능하게 하였다. 주변 환경의 조명 수준의 변화에 따른 보정 필요성으로 안구추적기가 실외에서 사용이 어렵다는 단점은 보완하였으나 이 시스템을 사용하기 위한 수술의 위험과 비용 등이 한계점으로 지적된다.

  제네바 Wyss Center의 Niels Birbaumer 연구팀은 루게릭병(ALS) 증세로‘완전히 외부와 단절된 상태’ (completely locked-in state, CLIS)로 판정을 받은 환자 4명과 의사소통을 가능하게 하는 시스템을 개발하고 이를 2017년에 발표하였다[7]. 이 시스템은 fNIRS와 EEG를 같이 사용하였다. 뇌전체를 측정할 수 있는 fMRI와 달리 fNIRS는 뇌의 깊은 부위를 측정하지 못한다는 단점은 있으나, 저렴하고 소형화가 가능하다는 장점이 있다.

  Guger Technologies는 2017년에 식물인간과 소통을 위한 EEG 기반 상용화 BCI 시스템인 mindBEAGLE을 발표하였다[8]. 마인드비글 시스템에서는 16개의 전극이 있는 EEG 캡을 두피에 착용하고, 손에 울리는 휴대 전화의 진동과 같은 촉각 감각을 전달하는 진동 모터를 착용한다. 그런 다음 사용자는 예 또는 아니오 질문을 받는데, 이에 반응하기 위해 사용자는 왼손의 진동에 '예'라고, 오른손에는 '아니요'를 강조한다. EEG 캡은 작업에 의해 생성된 두뇌 활동을 감지하고, 마인드비글은 기계 학습 알고리즘을 사용하여 BCI 의사 소통 유형을 해석한다. 뇌 기능 외상, 뇌졸중, 약물 과다 복용 또는 ALS와 같은 신경퇴행성 질환을 앓은 후에 마비된 몸에 갇혀있는 사람들에게 가족과의 소통과 함께 의사와의 소통으로 의료 처방에 대한 동의 등으로 의사들이 결정을 지원한다. 이와 같이 식물인간과의 소통을 위한 다양한 기술들이 연구되면서 점차 편의성과 경제성이 향상되면서 상용화 전망을 밝게 하고 있다.

  식물인간과 소통을 위한 연구는 중증 장애인 혹은 일반인들의 소통을 위한 연구와 연계되어 활용범위를 확대하고 있다. 이러한 연구사례로 오스트리아 Graz 기술대학 Gernot Müller-Putz 교수팀은 생각으로 작곡하는 BCI 응용 프로그램을 2017년에 발표하였다[9]. 표에 연속적으로 음표, 일시 중지 및 코드와 같은 옵션을 사용하고, 피험자가 조명이 켜지는 동안 원하는 옵션에 초점을 맞추면 뇌파가 미세하게 변하고, BCI는 이러한 변화를 인식하고 선택한 옵션에 대한 결론을 도출한다. 실험에서 짧은 훈련 후에 참가자들이 모두 작문을 하고 점수를 읽고 작곡이 가능하게 되어 이 연구는 중증 장애인을 위한 음악 작곡 시스템을 향한 가능성을 제시하였다.

  CNRS-AIST 공동로봇연구소[10] Gowrishankar Ganesh 박사팀은 EEG로부터 인간의 운동 의도를 판독하는 기술을 2018년에 발표하였다[11]. 이 연구는 사용자가 휠체어를 왼쪽이나 오른쪽으로 돌리는 것을 생각하도록 하고, 뇌파로 움직이는 방향을 파악한 후 갈바닉 전정 자극기 (galvanic vestibular stimulator)로 사용자의 전정 시스템을 자극한 후 예측오류가 있는 지를 파악하는 방법으로 해독 정확도를 크게 향상시켰다.

  이러한 연구들은 생체정보를 이용한 소통 연구로 발전하고 있다. 기존의 연구들이 단방향 소통이었던 점에 비하여 워싱턴 대학의 Rajesh Rao 교수팀은 양방향소통이 가능한 뇌간 인터페이스 (brain-to-brain interface, BBIs) 연구결과를 2019년에 발표하였다[12]. 정보 수집은 EEG, 정보전달은 TMS (transcranial magnetic stimulation)를 사용하였다. 이 인터페이스를 통해 세 명의 인간 피실험자가 직접 대뇌 - 뇌 간의 의사 소통을 통해 공동 작업하고 과제를 해결할 수 있다. 평균 정확도는 81.25% 였다. 이 연구결과는 연결된 두뇌의 "소셜 네트워크"를 사용하여 인간이 협동적으로 문제를 해결할 수 있게 하는 미래의 두뇌 사이의 인터페이스를 제시한다. 클라우드 기반 BBI 서버는 BBI 네트워크상의 모든 장치 세트간에 정보 전송을 지시하고 인터넷을 통해 전 세계적으로 작동 가능하게 함으로써 전 세계적으로 두뇌 간의 클라우드 기반 상호 작용을 가능하게 한다. 페이스북은 2017년 소셜미디어와 두뇌가 직접 소통하는 것을 연구하는 Moon Shot 프로젝트를 시작하였다[13]. MIT 교수였던 Mary Lou Jepsen은 2800만 달러를 투자받아 Openwater를 설립하고 홀로그램 적외선 기술 기반 휴대용 고해상도 광이미징 시스템 개발중인데, 이 시스템으로 텔레파시가 가능할 것으로 전망하고 있다[14]. 생체정보를 이용한 소통 연구가 다양하게 진행되면서 이 분야의 상용화도 가까운 미래에 가능할 것으로 기대된다.
 
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[1] Owen, Adrian M., et al. "Detecting awareness in the vegetative state." science 313.5792 (2006): 1402-1402.

[2] Monti, Martin M., et al. "Willful modulation of brain activity in disorders of consciousness." New England Journal of Medicine 362.7 (2010): 579-589.

[3] Owen, Adrian. Into the Gray Zone: A Neuroscientist Explores the Border Between Life and Death. Simon and Schuster, 2017.

[4] Guger, Christoph, et al. "Brain-computer interfaces for assessment and communication in disorders of consciousness." Emerging theory and practice in neuroprosthetics. IGI Global, 2014. 181-214

[5] Trojano, Luigi, et al. "Quantitative assessment of visual behavior in disorders of consciousness." Journal of neurology 259.9 (2012): 1888-1895.

[6] Vansteensel, Mariska J., et al. "Fully implanted brain–computer interface in a locked - in patient with ALS." New England Journal of Medicine 375.21 (2016): 2060-2066.

[7] Chaudhary, Ujwal, et al. "Brain–Computer Interface–Based Communication in the Completely Locked - In State." PLoS biology 15.1 (2017): e1002593.

[8] Guger, Christoph, et al. "MindBEAGLE — A new system for the assessment and communication with patients with disorders of consciousness and complete locked-in syndrom." 2017 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). IEEE, 2017.

[9] Pinegger, Andreas, et al. "Composing only by thought: Novel application of the P300 brain - computer interface." PloS one 12.9 (2017): e0181584.

[10] CNRS-AIST (Centre National de la Recherche Scientifique – National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) Joint Robotics Laboratory: 프랑스 의 CNRS와 일본의 AIST 협력으로 설립된 연구소로 지각을 통한 인간 및 주변 환경과의 다중모드 상호작용 및 인지로봇이 주요 연구주제이다.

[11] Ganesh, Gowrishankar, et al. "Utilizing sensory prediction errors for movement intention decoding: A new methodology." Science advances 4.5 (2018): eaaq0183.

[12] Jiang, Linxing, et al. "BrainNet: a multi-person brain - to - brain interface for direct collaboration between brains." Scientific reports 9.1 (2019): 6115.

[13] Greenemeier, Larry, “Facebook Launches "Moon Shot" Effort to Decode Speech Direct from the Brain,” Scientific Americal (Apr. 27, 2017)

[14] Wolverton, Troy, “Former Facebook exec Mary Lou Jepsen said her new company will make telepathy possible. But first, it’s going to upend the medical-imaging industry,” Business Insider (Dec. 3, 2018)