뇌 읽고 쓰는 BCI 가 바꿀 미래는?

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뇌 읽고 쓰는 BCI 가 바꿀 미래는?
뇌-컴퓨터 인터페이스, 영화적 상상을 현실로

2021.09.06 09:00 김순강 객원기자

인간이 누워서 정신을 통해서 아바타를 원격 조정한다든지, 생각만으로 컴퓨터나 기계를 움직이는 것이 이제는 더이상 영화 속에서만 가능한 일이 아니다. 이런 영화적인 상상력을 현실로 바꿔놓고 있는 것이 바로 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface) BCI 기술이다.

BCI 기술은 사람의 생각 또는 상태를 측정, 분석하고 컴퓨터에 전달하여 의도에 맞게 사물을 동작시키는 기술을 뜻한다. 이것이 일상에 활용된다면 선천적인 이유나 외상 등으로 신체를 자유롭게 움직일 수 없는 사람들과 의사소통이 가능해질 수 있다.

이밖에도 생각으로 움직이는 로봇을 활용한 재활이나 장애 극복, 뇌 신호를 활용한 AR/VR 등 인간이 공간과 신체의 제약에서 벗어날 수 있기 때문에 BCI 기술은 5차 산업혁명을 대비한 미래기술 경쟁력 확보를 위한 유망 분야로 주목을 받고 있다.

뇌-컴퓨터 인터페이스 기술이 인간이 공간과 신체의 제약에서 벗어날 수 있는 미래 기술로 주목받고 있다. ⓒ 게티이미지뱅크

BCI가 바꿀 인류의 미래는?

4일 ‘Beyond BCI:뇌-컴퓨터 인터페이스가 바꿀 인류의 미래’를 주제로 열린 온라인포럼에서 임창환 한양대 전기·생체공학부 교수는 비침습적 BCI의 현재와 미래를 소개했다. 비침습적 BCI란 피부를 관통하거나 절개를 하지 않고 뇌의 전기활동을 측정하는 기술을 뜻한다.

임 교수는 “뇌에서 운동 의도, 즉 팔과 다리를 움직이고자 하는 의도를 읽어내게 되면 이것을 바탕으로 해서 휠체어나 로봇팔과 같은 외부 기기를 조작할 수 있다. 또 뇌의 잠재의식을 읽게 되면 뉴로마케팅이나 거짓말 탐지기로도 쓸 수 있으며 개인의 주관적인 생각이나 선택적인 주의, 집중을 읽게 되면 식물인간과 비슷한 상태에 있는 사람들과 커뮤니케이션도 가능하다”고 설명했다.

임창환 한양대 교수가 식물인간과 나누는 대화 : 비침습적 BCI의 현재와 미래에 대해 발표했다. ⓒ 포럼 유튜브 영상 캡처

이를 위해 해결해야 할 문제점에 대해 임 교수는 “현재 착용형 뇌파 측정시스템들의 낮은 신뢰도를 높여야 한다”며 “뇌파 이외의 다양한 생체신호, 즉 체온이나 음성신호, 행동적 신호 등을 종합한다면 좀 더 정확하게 뇌 상태를 측정할 수 있기 때문에 뉴로 에듀케이션, 뉴로 러닝 등 신경 교육 시스템에 발전적으로 활용할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.

특히 빛을 이용해서 뇌의 혈류량 변화를 측정하는 fNIRS(Near-infrared spectroscopy)은 뇌파를 이용한 BCI보다 좀 더 신뢰도가 높고, 개인 간 편차가 적기 때문에 앞으로 활용도가 더 높아질 것이란 게 임 교수의 전망이다.

앞으로 비침습적 BCI 기술의 응용 분야 확대 필요성도 제기했다. 예를 들면 손발을 쓰지 않고 VR에서 아바타를 컨트롤 한다든지 주변 환경을 제어하는 시스템들을 개발해서 장애인들의 메타버스 접근성을 향상할 필요가 있다는 것이다.

또 임 교수는 “의료용뿐 아니라 군사용으로도 비침습적 BCI 기술의 활용도가 높다”며 “감정인식을 이용하면 상품에 대한 선호도를 정량적으로 평가할 수 있기 때문에 BCI 기술이 앞으로 뉴로 마케팅에도 많이 응용될 것”이라고 내다봤다.

DBS와 AI, 뇌 질환 치료에 활용

비침습의 반대 개념인 침습적 BCI 기술은 뇌 안에 미세한 탐침을 삽입하고 탐침 끝에 모여있는 신경세포들의 활동 전의를 측정하여 그것으로부터 필요한 정보를 추출해 외부기기를 조정하는 형태를 뜻한다.

이에 대해 김성필 UNIST 바이오메디컬공학과 교수는 “침습적 BCI기술은 뇌에서부터 외부기기로 정보를 읽어내는 뇌를 읽기와 외부환경으로부터 뇌로 다시 입력되는 뇌에 쓰기 등 양방향으로 가능하다”며 “뇌를 읽고 쓰는 기술이 다양한 뇌 질환 치료에도 적용할 수 있다”고 강조했다.

침습적 BCI 중에 특히 심부 뇌 자극 기술(Deep Brain Stimulation)이 현재 파킨슨병과 같은 뇌 질환 치료에 적용되고 있다. 여기에 AI 알고리즘도 더해지고 있다. 김 교수는 “심부 뇌 자극 기술로 자극을 줌과 동시에 자극 효과를 뇌 신호를 통해서 읽고 거기에 맞게 인공지능 알고리즘이 신속하게 실시간으로 조절한 다음에 자극 프로토콜의 패턴을 고쳐서 적절한 자극으로 최적화시키는 Closed-loop 형태의 DBS 기술도 개발되고 있다”고 설명했다.

김성필 UNIST 교수가 뇌를 읽고 쓰다:침습적 BCI의 현재와 미래에 대해 발표했다. ⓒ 포럼 유튜브 영상 캡처

미래 BCI 모습에 대해서도 70년 전에는 페이스메이커를 큰 카트에 싣고 다니면서 측정을 했었는데 현재는 아예 밖에 보이지 않는 컴팩트한 형태로 인체에 삽입되어서 더 좋은 기능을 발휘하고 있는 것과 마찬가지로 현재는 BCI가 여러 외부 컴퓨터와 연결된 복잡한 시스템 형태지만, 미래에는 완전히 인체 내에 삽입되어서 다양한 뇌 기능을 하게 될 것이라는 게 김 교수의 전망이다.

또 AI와 뇌가 결합한 새로운 인터페이스 등장도 예상했다. 김 교수는 “현재는 뇌 신호에 따라서 인공지능이 필요한 만큼 개입을 하거나 환경을 제어하는 형태인데, 궁극적으로는 뇌 안에 있는 자연신경망 뉴로모피칩 형태로 되어 있는 인공신경망과 합쳐져서 신경망이 재생산되고, 인공신경망 형태로 확대되는 양상으로 발전하게 될 것”이라고 내다봤다.

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