매트릭스 에 접속하는 일이든, 아바타에서 Na'avi가 되는 일이든, 두뇌를 컴퓨터에 연결하는 것은 제가 현실이 될 것이라고는 결코 생각하지 못했던 SF 비유입니다. 그러나 점점 더 BCI(뇌-컴퓨터 인터페이스)는 연구실에서 중요한 연구 분야가 되어 연구실에서 실제 인간 실험으로 빠르게 발전하고 있습니다. 아마도 가장 유명한 것은 Elon Musk의 회사인 Neuralink일 것입니다.
이는 장애가 있는 개인에게 더 큰 자유와 통제권을 보장하고 게임 및 의료 분야에 잠재적으로 적용할 수 있도록 보장하지만 상당한 기술적, 윤리적, 규제적 과제가 남아 있습니다. 그러나 이 주제를 더 깊이 파고들수록 이 획기적인 기술의 미래를 향해 책임감 있게 우리를 이끌려는 리더와 연구자들을 더 많이 발견했습니다.
뇌-컴퓨터 인터페이스란 무엇입니까?
처음부터 시작합시다. 한마디로 BCI는 뇌의 아날로그 전기 신호와 외부 디지털 기계 사이의 격차를 해소하고 본질적으로 변환하는 장치입니다.
"BCI는 다양한 작업(예: 시각, 움직임, 말하기)에 대한 기존 통신 채널을 우회하여 뇌의 전기 활동과 외부 세계를 연결하여 물리적 환경과 상호 작용하는 인간의 능력을 강화합니다." Brain Inform 저널의 2023년 연구입니다. 읽습니다. "BCI는 비근육 통신 채널을 제공하고 뇌 신호의 획득, 조작, 분석 및 변환을 용이하게 하여 외부 장치 또는 애플리케이션을 제어합니다."
초기 BCI 개발은 실제로 전극을 사용하여 뇌의 전기적 활동을 증폭하고 측정하는 테스트인 뇌전도(EEG)의 출현과 함께 1920년대에 시작되었습니다. 그러나 현대 BCI는 1970년대 UCLA Jacques Vidal 박사 의 연구와 국립과학재단(National Science Foundation) 및 DARPA의 자금 지원을 통해 발전했습니다. 그는 "뇌-컴퓨터 인터페이스"라는 용어를 만든 최초의 연구자이기도 했습니다.
지난 반세기 동안 BCI는 뇌의 내부 작동을 매핑하는 것부터 인간의 인지 및 운동 기술을 강화하는 것까지 다양한 응용 분야에서 임상적으로 사용되었습니다. BCI는 ALS나 뇌간 뇌졸중과 같은 부상과 질병으로 고통받는 환자나 인지적으로는 온전하지만 유용한 근육 기능이 없는 "갇힌" 사람들의 신체적 이동성을 회복하는 데에도 사용되고 있습니다.
그 잠재력은 믿을 수 없을 정도로 흥미롭지만, 여러분이 상상할 수 있듯이 이 기술의 연구자들이 정면으로 직면해야 하는 극복할 수 없는 것처럼 보이는 몇 가지 과제가 있습니다.
비침습적 BCI
현대의 모든 뇌-컴퓨터 인터페이스에는 뇌 수술이 포함된다고 생각할 수 있지만 실제로 기술은 장치가 사용자의 회백질에 얼마나 가까이 위치하는지에 따라 다양한 형태로 제공됩니다. 단순히 뇌 활동을 모니터링하고 기록하는 EEG나 MRI처럼 우리 모두에게 친숙한 비침습적 유형이 있습니다. 그런 다음 개방형 뇌 수술 없이 카테터를 사용하여 뇌에 전극을 전달하는 "부분 침습적" 혈관 내 EEG 로 분류되는 것이 있습니다.
비침습적 BCI는 환자의 두개골과 두피를 통해 뇌의 전기 자극을 포착하여 외부 장치로 직접 전송합니다. 이는 뇌수술이 필요하지 않다는 점에서 매력적으로 들리지만, 이 기술에는 많은 어려움이 따릅니다.
예를 들어, 외부 착용 BCI의 가장 큰 문제점 중 하나는 신호 대 잡음비가 낮다는 것입니다. 이는 포착된 전기 자극이 종종 두개골과 두피의 간섭으로 뒤섞여 뇌 신호를 정확하게 해독하기 어렵다는 것을 의미합니다. 이러한 신호를 디코딩하는 것은 뇌의 복잡한 신경 패턴으로 인해 더욱 복잡해지며, 이를 안정적으로 해석하려면 정교한 알고리즘과 상당한 계산 리소스가 필요합니다.
나는 오늘날 BCI에서 제시되는 과제를 더 잘 이해하기 위해 University of Michigan Direct Brain Interface Laboratory의 소장인 Jane Huggins 박사와 이야기를 나눴습니다.
"뇌 활동에 영향을 미치는 것들의 목록을 만들어 봅시다. 음, 아마도 그렇지 않은 것들의 목록을 만들어 봅시다. 왜냐하면 목록이 더 짧아질 것이기 때문입니다."라고 Huggins는 재치있게 말했습니다. “환자가 현재 보고 있는 것부터 방의 빛의 양, 방금 점심으로 먹은 것, 감정 상태까지 모든 것이 신호의 진폭과 진행 중인 상황의 복잡성에 영향을 미칠 수 있습니다. 필요한 부분을 고르기가 어렵습니다.”
한편, 편안함과 유용성 측면에서 비침습성 BCI는 부피가 큰 전극과 헤드셋으로 인해 장시간 착용하기 불편할 수 있습니다.
이것이 바로 침습적 뇌 임플란트에 대한 아이디어가 이 기술이 향하는 미래, 이전과는 전혀 다른 방식으로 2024년 현재에 돌진하는 미래가 된 이유입니다.
뇌에 직접 접근
이식형 BCI는 칩이 위치한 뇌 물질에서 직접 자극을 받아 명령으로 변환합니다. 그런 다음 해당 명령 신호를 외부 장치에 무선으로 전달하여 이를 수행합니다.
Huggins 박사는 일부 사람들은 뇌에 장치를 이식하는 것에 대해 항상 불안해하지만 장기적으로는 이것이 가장 편리한 옵션이라고 주장합니다.
“사람들은 이식된 BCI를 '침습적'이라고 부르는 경향이 있습니다.”라고 그녀는 말했습니다. "BCI를 이식하는 경우 확실히 수술이 필요하며 이는 상당히 극적인 수술이 될 수 있습니다." 반면 허긴스는 이를 자신이 몇 년 전에 받은 인공 고관절 수술에 비유했다. 침습적 수술? 예. 하지만 일상생활에서는 완전히 잊혀질 수 있습니다.
우선, 이식된 BCI는 매일 작동하는 데 필요한 10~20분 설정이 필요하지 않습니다. 또한 외부 BCI처럼 충전 및 청소가 필요하지 않습니다. Huggins는 미래의 BCI 장치가 오늘날의 인공와우 작동 방식과 유사하게 외부 착용 및 이식된 BCI 모두의 이점을 제공할 수 있다고 가정했습니다.
"이러한 EEG 전극을 두피 아래에 이식할 수 있다면 매일 착용하고 벗을 필요가 없으며 눈에 보이지 않게 될 것입니다."
게다가 기술의 기본은 여러분이 생각하는 것보다 더 오래 전부터 존재해 왔습니다. 최초의 신경보철물이 인간에게 설치된 지 수십 년이 지났으며 이 분야는 계속해서 빠른 속도로 확장되고 있습니다.
이것이 우리를 오늘날의 위치로 이끈다. 최초의 환자들이 이식된 칩을 받은 것이다. 6년간의 연구 끝에 2023년 FDA 승인을 받은 Neuralink는 첫 번째 이식형 칩에 대한 임상 시험을 시작하여 2024년 1월 첫 번째 환자에 대한 수술을 완료했습니다.
불과 몇 달 만에 Neuralink는 업데이트를 게시했는데, 환자가 자신의 뇌로만 온라인 플레이를 하기 위해 노트북을 제어하는 모습을 보여줬는데, 그는 이를 "커서에 포스를 사용하는 것"에 비유했습니다.
지금까지 Neuralink의 BCI 실험에서는 두 번째 환자가 발견되었으며, 첫 번째 환자는 체스에서 Civilization VI 으로 전환했습니다.
Neuralink는 세간의 이목을 끄는 창립자 덕분에 모든 주목을 받지만 결코 혼자가 아닙니다. 뇌혈관에 안전하게 이식할 수 있는 장치를 개발하고 있는 브루클린 뉴욕의 싱크론은 지난해 6명을 대상으로 한 임상시험을 시작했다. 미국 전역의 대학에서 모인 연구 간부인 BrainGate는 2021년에 세계 최초의 무선 고대역폭 BCI를 이식했습니다. 반면 Blackrock Neurotech 는 유타주 솔트레이크시티에 본사를 두고 있으며 유타는 20년 이상 동안 FDA가 보고한 "심각한 부작용"이 전혀 없는 BCI를 배열했습니다.
이러한 애플리케이션에서 장치는 사용자가 손상되고 반응하지 않는 팔다리를 효과적으로 우회하여 생각으로 외부 장치를 직접 제어하고 건강한 사람에 의존하지 않고 활동을 수행할 수 있도록 하여 삶의 질을 크게 향상시킵니다. 이 기술은 이미 엔터테인먼트, 게임 , 산업 자동화 , 교육 , 신경마케팅 등 다양한 연구 분야에 혁명을 일으켰습니다.
계속되는 도전
이식된 BCI는 해당 분야의 미래처럼 느껴지지만 확실히 고유한 과제가 있습니다. 예를 들어, 더 높은 품질의 신호를 제공하는 이식된 BCI의 경우에도 장기적인 안정성은 여전히 문제로 남아 있습니다. 이러한 장치는 생물학적 조직 반응이나 기계적 고장으로 인해 시간이 지남에 따라 성능이 저하되어 지속적인 적용에 대한 유용성과 수명이 제한될 수 있습니다.
또한 이식된 BCI는 필요한 모든 교육 및 교정의 장애물을 극복하지 못하며 이는 BCI 기술에 중요한 과제를 제기합니다. Huggins 박사가 설명했듯이 사용자는 이러한 장치를 효과적으로 제어하기 위해 광범위한 연습이 필요한 경우가 많으며, 이로 인해 프로세스가 시간이 많이 걸리고 때로는 좌절감을 느끼게 됩니다.
Neuralink는 이 과정을 돕기 위해 개발 중인 앱을 보유하고 있으며, 환자가 이미 원숭이를 대상으로 테스트한 디지털 장치를 더 잘 제어할 수 있도록 마음을 훈련할 수 있도록 돕습니다.
편의성과 비용 외에도 기술의 윤리적 및 개인 정보 보호 결과는 BCI의 추가 개발에 중요한 과제를 제기합니다. BCI에서 생성된 데이터(우리의 감정, 의도, 생각)는 본질적으로 개인적인 것이며 이러한 데이터가 의도치 않게 수집되어 오용될 위험을 높입니다.
BCI 채택은 또한 자율성, 동의 및 접근성과 관련된 문제를 야기합니다. 누군가가 자신의 의지에 반하거나 그 결과를 완전히 이해하지 못한 채 BCI를 사용하도록 강요당하는 것을 막으려면 어떻게 해야 합니까?
Huggins는 “당신이 이식된 BCI를 원한다고 누군가가 결정하여 당신에게 주도록 하는 것보다 더 무서운 것은 없다고 생각합니다.”라고 말했습니다. "그리고 무슨 일이 일어나고 있는지 질문하거나 의견을 표현할 수 없습니다."
BCI 환자를 지원하기 위해 AI 및 기계 학습 시스템을 활용하는 경우에도 마찬가지입니다. “우리는 인공지능과 BCI의 많은 [기능]을 결합할 수 있지만, 이는 모든 종류의 공유 및 통제에 대해 직면하게 되는 동일한 종류의 질문을 제기하기 시작합니다. 누가 결정하는가? 무슨 말을 하게 될까요?”
“그리고 그것은 우리가 앞서 자기 결정에 대해 이야기했던 윤리적 질문으로 돌아갑니다. [ALS 환자 등] 능력이 저하되는 사람이 있다면 균형이 있습니까? 시간이 지나면서 그 균형이 변할까요? 아니면 그냥 포기하고 AI가 내 문장을 자동 완성하도록 하시겠습니까?”
비록 우리가 실제로 직면해야 하는 상황과는 거리가 멀더라도 이는 미래에 대한 심각한 우려 사항입니다.
“저는 90%의 정확도로만 그것을 알아낼 수 있습니다. 날씨가 좋은 날에는 아마도 95%의 정확도일 것입니다. 날씨가 좋지 않은 날에는 날씨가 좋지 않은 날에는 최대한 낮은 곳으로 갈 수 있습니다. 하지만 그 사람은 적극적으로 자발적으로 메시지를 전달하려고 노력하는 사람이에요.”
Huggins는 BCI의 미래에 대한 가장 큰 과제 중 하나인 두려움과 오해를 진정시키기 위해 노력합니다.
허긴스는 “많은 사람들이 겁을 먹고 있다”고 인정했다. “정부가 위성을 통해 자신의 생각을 읽을 수 있는지 묻는 사람이 한 번 있었습니다. 그리고 나는 '글쎄요, 내 연구실에 누군가가 앉아 있어서 이 헤드셋을 착용하게 하고 키보드의 키에 적극적으로 주의를 기울이려고 하면 정답을 얻는 데 어려움을 겪습니다'라고 생각했습니다. 사람들이 위성에서 당신의 생각을 읽는 것에 대해 걱정하지 마십시오.”
더 밝은 BCI 미래를 바라보며
확실히 BCI 연구자들은 이 혁신적인 기술을 일반 대중에게 제공하는 데 상당한 어려움에 직면해 있습니다. 아마도 기대치를 관리하는 것 외에는 어려울 것입니다. Huggins는 이식 연구 연구에 참여하는 동료들이 연구 참여자들이 계획이 무엇인지 이해하고 이점과 위험에 대한 현실적인 이해를 확실히 하기 위해 매우 엄격한 과정을 거쳤다고 지적합니다.
텔레파시 통신, 완벽한 기억 및 회상, 심지어 인간과 로봇 정신의 혼합에 대한 환상적인 약속이 쏟아지는 일반 대중에게는 이러한 예의가 거의 적용되지 않습니다.
BCI가 우리 생애에서 어디로 향하고 있는지에 대해 Huggins는 실제로 진전을 보려면 기대치를 낮추는 것이 필요하다고 인정했습니다.
“내 생각엔 가능한 일이 있을 거라 생각하지만, 모든 기대에 부응할 수는 없을 것 같아요. 기대가 바뀔 것입니다. 현실적인 기대를 가지고 이것이 새로운 기술이라는 것을 이해해야 합니다. 우리는 그것이 어떻게 작동하는지, 왜 작동하는지, 언제 작동하는지, 언제 작동하지 않는지, 어떤 종류의 지원이 필요한지, 얼마나 많은 장소에서 이를 제공할 수 있는지 배우고 있습니다.”
따라서 우리는 가까운 미래에 “와, 나 쿵푸 알아요” 순간을 경험하지 못할 것 같습니다. 하지만 그렇다고 다음 세대가 그렇지 않을 것이라는 말은 아닙니다. 아직 갈 길이 멀지만 미래 경험의 기반이 오늘 구축되고 있습니다. 이것이 바로 기대되는 이유입니다.