머리 바깥쪽에서 뇌를 조작하다.DARPA가 지원하는 「브레인·컴퓨터·인터페이스」의 개발이 진행중(미 연구)

8월 카네기 멜론대 3명의 대학원생이 작은 창문이 없는 지하 연구실에 모여 때마침 3D 프린터 프레임을 이용해 마우스의 뇌에 타격을 주고 있었다.
물론 그들이 장난삼아 그런 짓을 한 것은 아니다.
일부러 두개골을 잘라내 뇌를 드러내지 않고 뇌의 신호를 검출해, 조작할 수 있는지 검증 실험을 실시하고 있었던 것이다.
목표로 하는 것은, 단지 머리에 쓰는 것만으로 사용할 수 있는 헤드밴드와 같은 브레인·컴퓨터·인터페이스(BCI)다.
두께 1cm도 안 되는 인간의 두개골은 전류 빛 소리 같은 파형을 확산시키는 필터로 기능한다.
그 아래에 들어가 있는 뇌에는, 1밀리의 수천분의 1이라고 하는 극소의 신경세포가 막혀 있어 1볼트의 20분의 1 정도의 미약한 전기 펄스를 발생시키고 있다.
이들의 실험은 그룹을 이끄는 풀킷 글로버가 고안한 새로운 기법과 비교하기 위한 베이스라인이 되는 데이터를 모으기 위한 것이었다.

 두개골 밖에서 뇌의 신호를 읽기 위한 실험
　
그룹이 행한 실험은 이렇다.
먼저 쥐의 해마에서 뇌의 단편을 떼어낸다.
그리고 얇게 슬라이스 된 마늘과 같은 그것을, 기묘한 기계의 중앙 근처에 있는 플랫폼에 둔다.
슬라이스는 식염, 포도당, 아미노산이 들어간 용액으로 절여 있다.
살려두기 위해서다.
구부러진 대로 살아 있는 슬라이스의 신경 세포는 계속 발화해 연구자에게 데이터를 제공한다.

슬라이스 밑에 있는 전극에서 전격적으로 가해지면 실린더와 같은 금속제 탐침이 신경세포의 반응을 측정한다.
그 뒤로는 슬라이스와 전극 사이에 인간의 두개골과 같은 전기적 광학적 특성을 지닌 소재가 삽입되어 비슷한 절차를 거쳤다.

그룹은 아노미 국방 고등 연구 계획국(DARPA)이 출자하는 「차세대 비외과적 뉴로 테크놀로지·프로그램(Next-generation Nonsurgical Neurotechnology Program/N3)」에 참가하고 있다.
수술은 많은 비용이 드는 것이고 윤리적으로도 단순하지 않다.
외과적 수술을 하지 않고도 마음을 읽을 수 있는 기기는 새로운 가능성의 문을 열 것이다.

1970년대 초에 탄생하여 널리 퍼진 'BCI'라는 뜻

BCI는 사지마비 환자 등 움직이지 않게 된 팔다리를 보충하기 위해 꾸준히 연구해 왔다.
하지만 N3는, 보다 교전적인 용도를 염두에 둔 미군에 의한 본격적인 BCI 개발 프로젝트다.
BCI라는 단어는 1970년대 초 로스앤젤레스 캘리포니아대의 제이크스 J 비달이 처음 사용했다.
이는 인공지능처럼 기능이 발전하면서 정의가 진화한 용어 중 하나다.
두개골에 놓인 전극으로 뇌의 전기활동을 기록하는 뇌파기록법(EEG)은 뇌와 컴퓨터를 연결하는 최초의 인터페이스로 볼 수 있을지 모른다.

1990년대 말까지는 EEG로 사지마비 환자의 뇌파를 해독해 컴퓨터 커서를 작동시킬 수 있게 됐다.
하지만 오늘날까지로 가장 강력한 디바이스가 「유타·어레이(Utah array)」인 것은 거의 틀림없을 것이다.
유타 어레이는 손톱의 절반쯤 되는 작은 검둥이 모양으로 뇌에 꽂아 쓰는 것이라고 한다.

(왼쪽)사고로 척추를 손상당한 이언 버크하트 씨 (오른쪽) 작은 검산 같은 외모를 한 유타 어레이 image   credit : DAMIAN   GORCZAN

신경 바이패스로 근육의 움직임을 되찾은 남성의 에피소드

2010년 휴가 중이던 이언 버크하트 씨는 바다로 뛰어들어 머리를 강타했다.
이 사고로 척추를 손상당해, 제6계 신경으로부터 아래의 기능을 잃었다.
팔과 팔꿈치를 움직일 수는 있었지만 손과 발은 움직이지 못한다.
재활치료도 거의 효과가 없어 그는 다른 방법이 없느냐고 의사에게 물었다.
그리고 바텔기념연구소에서 유타 어레이를 이용해 마비환자의 손발을 되살리는 연구가 진행 중이라는 사실을 알게 됐다.
EEG는 무수한 신경세포 전체의 활동을 읽어내지만 유타 어레이는 단 하나의 신경세포조차 펄스를 기록할 수 있다.
바크 하트씨의 경우, 운동 피질의 96개소에 유타·어레이를 이식해 매초 3만회라고 하는 페이스로 전장을 계측했다.
이러한 데이터로부터, 그가 손을 움직이려고 할 때의 뇌의 활동을 읽어내는 알고리즘이 개발되었다.
버크하트의 두개골로부터 돌출된 받침대에 접속된 굵은 케이블은, 유타·어레이가 계측한 펄스를 컴퓨터에 송신한다.
데이터를 수신한 컴퓨터는 그것을 해독해, 그의 오른팔을 덮는 전극이 들어간 슬리브에 신호를 송신. 
그러면 슬리브가 팔의 근육을 자극해, 그가 의도한 대로의 동작을 실행시킨다.
그렇게 바크하트 씨는 신경 바이패스에 의해 근육의 움직임을 되찾은 최초기 인간이 됐다.

수백 개의 전극을 사용하여 뇌의 신호를 조작하여 다른 영역으로 전환

N3에도 참여하고 있는 바텔기념연구소는 현재 뇌에 유타 어레이를 이식하지 않고도 같은 일을 가능하게 하는 기술을 연구하고 있다.
그것은 새로운 디바이스의 개발 뿐만 아니라, 두개골의 바깥으로부터 미약한 신호를 정확하게 검출·처리하는 기술을 고안 할 필요가 있다는 것이다.
카네기·멜론 대학의 글로버씨등이 실시하고 있던 것도 그것을 위한 실험이다.
신경학자가 아니라 전기기사인 글로버씨는 대학에 들어가자마자, EEG의 본래의 잠재력은 지금까지 상정되고 있던 것보다 높고, 또 외부 시그널을 교묘하게 조작함으로써 뇌 깊숙이 영향을 줄 수 있지 않을까 직감했다.
그로부터 몇 년 뒤 MIT(매사추세츠공대) 연구자들에 의해 글로버의 직감을 뛰어넘는 논문이 발표됐다.
그 연구에서는, 주파수가 미묘하게 다른 두 개의 전기 시그널을 두개골의 바깥쪽에 맞추면, 뇌의 표면이 아닌, 더 안쪽의 신경 세포에 영향을 줄 수 있는 것이 나타났다.

건설적 간섭(constructive interference)으로 불리는 현상이다.

글로버 씨는 MIT 연구를 더 발전시키려 하고 있다.
수백 개의 전극을 이용해 뇌 내부의 좁은 영역을 정확히 겨냥하고 그 신호를 조작된 영역에서 다른 영역으로 전환시키는 것이다.
「신경과학자에게는 나오지 않는 발상이다」라고 글로버가 이야기한다.
다양한 연구들이 신경 활동의 징후를 포착하고 있다.

반면 역시 N3에 참여하는 존스홉킨스대 응용물리학연구소(APL) 그룹은 전혀 다른 접근법으로 난제에 도전하고 있다.
현재의 이해에 의하면, 신경 조직은 신경 세포가 전기 시그널을 발화했을 때에 팽창·수축한다.
EEG나 유타·어레이가 읽고 있는 것은 전기 시그널이다.
하지만 APL의 데이브 블로젯은, 조직의 팽창·수축도 신경 활동의 뛰어난 사인이라고 생각했다.
거기서, 그것을 광학적 시스템에 의해서 읽어내자는 것이 그의 아이디어다.
지금까지의 기술로는 그러한 신경의 움직임을 검출할 수 없었지만, 벌써 블로젯등은 마우스의 실험으로 그것을"보는"것에 성공했다.
노출시킨 신경조직이라면 발생 10밀리초 이내에 신경활동을 기록할 수 있다.
유타·어레이 등에 버금가는 기록속도다.
다음 단계는 그것을 두개골 너머로 하는 것이다.
두개골은 가시광을 차단해 버린다.
여기서 두개골을 빠져나갈 수 있는 근적외선 빛을 측정한다.
현재는 두개골 너머로 적외선 레이저를 쏴 그것이 어떻게 흩어지는지 확인하는 단계다.

바텔기념연구소의 가울라브 샤르마는 혈액 뇌관문을 통과할 수 있는 새로운 나노입자를 개발하고 있다.
이는 DARPA가 최소한의 침습 기술이라고 부르는 것이다.
입자 셸은 압력을 가하면 전기를 발생하는 소재로 이뤄져 있으며 그 안에는 자력에 반응하는 코어가 들어가 있다.
이를 자기장에 노출시키면 내부 코어가 셸에 압력을 가해 미량의 전류를 생성시킨다.
이 전류는 두개골 너머라도 빛보다 훨씬 "보기 쉽다".코일을 사용해 전류를 자기장으로 전환해 뇌의 신호를 읽어 주면 된다.

훌륭한 기술인 BCI가 군사적으로 이용된다면 어떻게 될까?

이러한 과학적인 대처는 훌륭하다.
그러나, BCI의 개발을 진행하는 펜타곤이나 페이스북등의 기업이, 이 기술이 제기하는 몇개의 윤리적, 법적, 사회적 의문을 등한시하고 있는 것을 알면 그 훌륭함의 의미도 엹어진다.
예를 들어 인간의 뇌에 의해 직접 조작되는 드론의 대군은 전쟁을 어떻게 바꾸어 버리는 것일까?
N3의 책임자는 그 필요성이 어떠한 것이라도 신경 인터페이스는 이용될 것이라고 말하고 있다.
그러나 군의 필요성은 그처럼 해석되는 법이다.
버크하트는 지금도 연구에 참여하고 있다.
유타 어레이 없이도 뇌의 신호를 주울 수 있게 하기 위한 연구다.

척추를 손상시킨다면 팔을 움직인다고 상상하는 것은 매우 힘든 작업이다.
버크하트는예전 같으면, 「손을 움직인다」라고는 일부러 생각하지 않아도 할 수 있었다.
그냥 병만 잡으면 되는데 그렇긴 하지만 나는 그것을 할 수 있기를 간절히 바란다 라고 코멘트하고 있다.
적어도 버크 하트는 이 기술의 가능성을 누구의 눈에나 보이게 한 한 사람이라고 말할 수 있을 것이다.