장애와 질병을 극복하는 뇌과학과 뇌파혁명

장애와 질병을 극복하는 뇌과학과 뇌파 혁명

불의의 사고로 하반신이 마비된 환자가 다시 걸을 수 있을까? 척추가 마비돼 휠체어를 타는 장애인이 스스로 걷는 세상을 맞데 될까? 말을 못 하는 사람이 생각만으로 글을 쓸 수 있게 될까? 그 불가능해 보이는 기적 같은 일들이 이제 가능해지고 있다.

2016년 하반신이 마비되어 재활 불가 판정을 박은 환자 8명 중 7명이 걸을 수 있게 되었다. 미국 듀크 대학연구팀이 몸에 착용하는 외골격 로봇과 가상현실을 이용해 1년간 재활 훈련을 한끝에 이들이 다리의 감각을 되찾게 된것이다. 연구팀은 브라질 상파울루 신경재활연구소에서 하반신 마비 환자에게 외골격 로봇을 착용하고 가상현실 장비로 풍경을 보며 걷는 상상을 반복하게 했다. 이 훈련이 1년간 진행하자 신기하게도 환자의 두 다리에 감각이 돌아왔고, 운동능력이 향상됐다. 이중한명은 13년 동안 한 번도 일어서지 못했던 사람이고 다른 한명은 이 재활훈련 덕분에 목발만으로도 걸을 수 있게 되었다.

이 연구팀이 이용한 기술은 뇌-기계 인터페이스다. 뇌와 기계를 연결해 생각하는 대로 사물을 움직이는 기술이다. 이 기술은 BMI 등으로 불린다. BMI 기술의 세계적인 권위자인 미겔 니코렐리스 교수는 사람이 걷거나 서는 등 특정한 동작을 하려고 생각하면 일정한 뇌파가 나오는 원리를 활용했다. 뇌파를 읽는 모자를 쓴 환자가 반복적으로 걷는 상상을 하는 동안 오큘러스 리프트라는 가상현실 장비로 실제 걸어가는 것 같은 풍경을 보여주고 외골격 로봇을 생각으로 조종하는 연습도 병행했다. 이 과정에서 뇌가 신경세포를 자극해 하반신에 운동신호를 전달하는 기능이 다시 살아나게 된 것이다. 

 

 

2016년 스위스 취리히에서는 사이배슬론이라는 '사이보그 올림픽'이 최초로 열렸다. 장애인들이 로봇 보조기구를 착용하거나 이용해 기량을 겨루는 국제대회이다. 이 대회에서 눈길을 끈 종목은 뇌로 제어라는 자동차 경주다. 장애인들이 다양한 장비를 머리에 착용하고 뇌파를 사용해 컴퓨터 안의 아바타를 제어함으로써 자동차 경주를 하는 게임이다. 수많은 센서가 장착된 모자를 착용하면 이 센서가 사람의 뇌파를 읽어내고, 그 생각대로 컴퓨터 속의 아바타가 움직인다. 회전하려면 청록색 패드, 점프하려면 빨간색 패드를, 슬라이드 하려면 노란색 패드를 뇌파로 내보내야 한다. 중요한 것은 눈이나 다른 근육으로 신호를 보내는 것이 금지되어 있고, 완전히 생각만으로 아바타를 움직여야 한다는 점이다. 생각만으로 회전, 슬라이드, 점프 명령을 내려 빨리 결승선에 도착하면 승리한다. 현재 BMI 기술은 손상된 기능을 복원하는 목적으로 사용되고 있다.

BMI가 인간의 기억을 관장하는 뇌의 운명을 바꿀 제4의 혁신기술로 부상하면서 미국, 유럽, 일본 등 여러 국가가 뇌 질환 치료, 기술 개발에 집중하고 있다. 미국 바텔 연구소와 오하이오 주립대는 2014년 환자의 생각을 감지해 낼 수 있는 뉴로 브리지 기술을 개발했다. 뇌 특정 부위에 4mm 크기의 칩을 삽입하면 척수 마비 환자나 신체 일부의 마비를 겪는 뇌졸중 환자, 말 못 하는 환자의 생각을 알아낼 수 있다. 

 

 

미국 플로리다. 대학은 2016년 세계 최초로 뇌파만으로 드론을 조종하는 경기를 개최했다. 같은 해 애리조나 주립대는 한 사람의 뇌파로 네대의 드론을 동시에 조종하는 기술을 선보이기도 했다. 뇌과학이 인간의 운명을 바꿀 날이 성큼성큼 다가오고 있다. 과학의 기적이 기대되는 이유다. 

생각만으로 게임기를 작동하는 뇌파 인식 게임도 등장했다. 실리콘밸리의 뉴로스카이는 헤드셋을 쓰고 뇌파로 물건을 움직일 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 뇌파로 물건을 움직일 수 있다. 이를 집중력 훈련용으로 사용하면 치매나 뇌졸증 등의 치료에 도움이 된다. 뇌파를 이용해 IT기기나 자전거, 자동차를 작동시킬 수도 있다. 뉴로스카이가 독일 아우디와 개발에 성공한 마인드웨이브는 기술이다. 이기술로 자동차 운전자는 마음, 즉 뇌의 생각 또는 뇌파로 기기의 속도, 방향 전환 등을 할 수 있다.  

미국 듀크 대학 신경학과 연구진은 생각만으로 로봇 휠체어를 작동시킬 수 있는 새로운 기술도 개발했다. 놀라운 것은 뇌파 두피 전극이나 외부 컴퓨터에 선을 연결하지 않고 말 그대로 생각의 힘으로 휠체어를 조종할 수 있다는 점이다. 원숭이 뇌를 활용한 임상실험에도 성공했다.  원숭이 뇌와 휠체어에 가각 머리카락처럼 가느다란 마이크로 필라멘트를 장착한다. 이 미세 섬유를 사용한 무선 BMI는 두 영역의 신경세포에서 수백 개의 신호를 동시에 내보낸다. 만일 원숭이가 목표지점까지 가고 싶다고 생각하면, 컴퓨터는 원숭이의 뇌 활동을 휠체어 작동이라는 명령어로 바꿔 휠체어를 이동시킨다. 이 기술로 사지 마비나 루게틱 병으로 근육을 움직일 수 없어 이동하기 어려운 장애인들은 새로운 세상을 만나게 된다. 

미국의 과학자들은 인간의 두뇌와 몸에 직접 무선 컴퓨터를 이식하는 신기술 또한 개발했다. UC버클리 연구팀은 근육과 말초신경계에 집어넣을 수 있을 만큼 작은 무선 센서 '신경 먼지'를 만드는 데 성공했다. 신경 먼지는 뇌는 물론 근육과 중추신경계, 말초신경계 등 신체 곳곳에 먼지 티끌만 한 센서를 삽입해 실시간으로 그 활동을 관찰하는 기술이다. 무선 컴퓨터를 아무런 부작용 없이 몸속에 이식하는 신기술이다. 

신경 먼지는 어떤 역할을 하게 될까? 우선 신경세포, 근육, 장기의 상태를 모니터링할 수 있다. 센서가 부착된 부위에는 수집되는 전기신호를 이용해 운동량을 측정하거나, 뇌나 근육을 자극해 특정 장기가 제대로 작동하는지 실시간으로 확인할 수 있다. 또 센서로 신체에 전기적인 자극을 가하는 치료법으로도 활용할 수 있다. 즉 전자약으로 활용이 가능해 뇌전증과 각종 염증을 치료하고 면역 기능을 강화시킨다. 센서가 이식된 부위의 신체 활동을 실시간으로 관찰해 데이터를 생성하기 때문에 의사는 가장 효율적인 치료법을 찾아낼 수 있다. 신경 먼지는 초음파로 충전되고 초음파로 신호를 주고받기 때문에 배터리가 필요 없다. 앞으로 근육이나 신경계뿐 아니라 신체의 어느 부위에든 신경 먼지를 삽입할 수 있게 될 전망이다.