[송민령의 뇌과학 이야기]뇌-컴퓨터 상호작용

일러스트_김상민 기자

미래 사회를 그린 공상과학 영화에는 신체 일부를 기계장치와 연결한 사람들이 흔하게 등장한다. 영화에서처럼 기계장치를 마음대로 움직일 수 있으려면 몸속 신경세포들의 활동과 기계장치 사이에 신호 전달이 이루어져야 한다. 이를 뇌-기계 상호작용 또는 뇌-컴퓨터 상호작용이라고 부른다. 

뇌-컴퓨터 상호작용 기술은 뇌졸중에 걸린 환자의 재활을 돕거나, 신체를 움직일 수 없는 환자들이 다른 사람들과 소통할 수 있게 해준다. 후자와 관련해선 목 아래가 마비된 미식축구 선수가 뇌-컴퓨터 상호작용 기술을 사용해서 생각으로 타이핑을 하거나, TV를 조절할 수 있게 된 사례가 널리 알려져 있다. 뇌-컴퓨터 상호작용은 사고로 팔이나 다리를 잃은 사람들이 로봇 의수를 사용할 수 있게 하는 데도 필요하며, 뇌전증과 같은 신경질환의 증상을 완화하는 데도 쓰이고 있다. 뇌-컴퓨터 상호작용 기술은 어떻게 이렇게 많은 일들을 할 수 있는 걸까? 뇌-컴퓨터 상호작용을 위해서는 무엇이 필요할까?

■ 신경 활동의 측정

뇌와 컴퓨터가 신호를 주고받을 수 있으려면, 먼저 신경세포들의 활동을 측정하는 기술이 필요하다. 측정 기술에 따라 대략 몇 개 신경세포들의 활동을, 얼마나 빠르게 측정할 수 있는지, 어떤 위치에 있는 신경세포들의 활동을 측정할 수 있는지가 달라진다. 

예를 들어 뇌 속의 특정 부위에 칩을 이식하면, 정확하게 그 부위에 있는 신경세포들의 활동을 밀리초 단위로 측정할 수 있다. 반면에 모자나 헤드셋처럼 쓰고 벗기가 쉽게 만들어진 뇌파(EEG) 측정장치를 사용하면 두개골에 가까운 부위의 활동은 측정할 수 있지만, 두개골 안쪽 깊숙한 부위의 활동은 측정하기가 어렵다. 또 뇌 속에 칩을 이식했을 때보다는 다소 넓은 부위의 신경활동이 측정되는 신호에 영향을 준다. 

신경세포들의 활동이 활발한 부위에서는 산소를 포함한 헤모글로빈의 농도가 증가하는데 이를 통해 신경세포들의 활동을 간접적으로 측정하는 방법도 있다. 산소를 포함한 헤모글로빈의 농도는 기능성 자기공명영상 기술로 정밀하게 측정할 수 있지만, 자기공명영상 기계는 이동용도 1t 트럭만큼 크다. 그래서 기능성 근적외 분광법(fNIRS)이라는 다른 기술이 더 널리 쓰인다. 기능성 근적외 분광법 장치는 다수의 뇌파 측정장치들처럼 모자나 헤드셋과 비슷하게 생겼기 때문이다. 기능성 근적외 분광법으로 측정되는 신호는 뇌파보다는 느리지만 활동이 일어난 위치를 좀 더 정확하게 알 수 있다. 

뇌-컴퓨터 상호작용으로 무엇을 할 것이냐에 따라 어떤 뇌 부위를 측정할 것인지가 달라진다. 사용자가 로봇팔을 움직이게 하고 싶은 경우라면, 뇌 피질의 전운동 영역처럼 운동을 계획하는 데 중요한 부위의 활동이 주로 측정된다. 

■ 신경활동의 해석과 학습

생각으로 로봇팔을 움직일 수 있으려면, 읽어들인 신경 신호가 어떤 의미인지 컴퓨터가 해석할 수 있어야 한다. 예를 들어 팔을 어느 방향으로 어떤 속도로 움직이고 싶은지 알 수 있어야 한다. 똑같이 팔을 오른쪽으로 10㎝ 움직이겠다고 생각하더라도, 사람마다 뇌 활동이 조금씩 다르다. 그래서 사용자가 어떤 생각을 할 때 뇌 활동 패턴이 어떻게 변하는지 컴퓨터에게 학습시키는 과정을 사용자마다 해 주어야 한다. 이 과정에는 주로 인공지능이 활용된다. 

컴퓨터뿐만 아니라 사람도 학습을 해야 한다. 자연적인 팔을 움직일 때는 눈을 감고도 내 팔이 어디에 있는지 알 수 있지만, 로봇팔은 눈으로 봐야만 팔이 원하는 대로 움직이고 있는지 알 수 있다. 또 자연적인 팔을 움직일 때보다 더 적은 숫자의 신경세포들(뇌-컴퓨터 상호작용으로 측정되는 신경세포들)이 사용된다. 따라서 사용자도 훈련을 해야 하는데, 당연한 이야기지만 생각이 로봇팔의 움직임으로 나타나는 시간 간격이 짧을수록(컴퓨터가 신경 신호에 담긴 의미를 빠르게 해석할수록), 학습이 빨라진다고 한다.

■ 적절한 피드백과 신경활동 조절하기

경우에 따라서는 읽어들인 신경활동의 특성에 따라 뇌 속 신경세포들의 활동을 조절해야 한다. 예를 들어 뇌전증의 경우, 정상적이지 않은 활동(발작 이전에 흔히 나타나는 뇌 활동)이 관찰되면, 특정 영역의 신경세포들을 특정한 세기와 특정한 패턴으로 자극해준다. 그럼으로써 발작이 일어나지 않도록 미리 차단한다. 

사용자에게 시각정보 외의 정보를 제공하는 것이 필요한 경우도 있다. 예를 들어 뇌졸중에 걸린 환자들에게는 훈련을 통해 뇌회로를 재구성해주어야 한다. 환자의 뇌에서 치료에 유용한 형태의 신경활동이 일어날 때마다 뇌졸중으로 움직이기 힘들어진 팔을 외부 장치로 움직여주면, 팔의 움직임에 대한 정보가 뇌로 전달된다. 이처럼 적절한 피드백을 주면서 훈련을 하면, 뇌졸중에 걸린 환자들의 재활에 도움이 된다고 한다. 

최근에는 뇌-컴퓨터 상호작용 기술을 정서 조절에도 사용하려는 연구가 이루어지고 있다. 우울증을 비롯한 정신질환은 국제적으로 가장 큰 경제적 부담을 초래하는 질환들 중 하나이기 때문이다. 예를 들어 부정적인 감정 상태와 관련된 신경활동이 관찰되면, 감정을 조절하는 것과 관련된 부위의 신경활동을 조절하는 방식을 생각해볼 수 있다. 그러나 감정의 조절은 운동과는 달리 넓은 뇌 부위가 관여하고, 훨씬 섬세한 조절이 필요하며, 감정 조절에 대한 뇌 기전도 충분히 밝혀지지 않았기 때문에 훨씬 많은 연구가 필요하다. 들쭉날쭉하는 감정은 종종 거추장스럽게 여겨지지만, 통증처럼 무언가 잘못되고 있음을 알려주는 긍정적인 역할도 한다. 또 어떨 때 어떤 감정을 느끼는지는 성격과도 긴밀하게 관련되어 있다. 뇌-컴퓨터 상호작용을 감정 조절에도 사용할 수 있는 날이 오게 하려면, 과학·기술 분야의 연구뿐만 아니라 윤리적 논의와 사회적 합의도 충분히 이루어져야 할 것으로 보인다.

<송민령 카이스트 바이오 및 뇌공학과 박사과정>