뇌 임플란트 기술의 역사와 연구 동향 및 전망

 

 

뇌 임플란트 기술의 역사

 

뇌 임플란트 기술은 오랜 역사를 가지고 있으며, 초기 연구로부터 현대의 뇌-컴퓨터 인터페이스 개발까지 지속적으로 발전해 왔다.

 

표. 뇌 임플란트 기술의 역사 정리

연도	주요사건	세부 내용
1870년대	뇌 자극 연구 시작	Eduard Hitzig, Gustav Fritsch: 개의 뇌 자극을 통한 운동 유발
1874년	인간 뇌 자극 연구 시작	Robert Bartholow: 인간 뇌 자극을 통한 운동 유발
20세기초	뇌 영역 지도 작성	Fedor Krause: 뇌 수술 환자를 대상으로 뇌 영역 지도 작성
1950년대	뇌 자극을 통한 기분 조절 연구	Robert G. Health: 정신 질환 환자를 대상으로 뇌 자극 실험
1950년대	뇌-컴퓨터 인터페이스 연구 시작	Jose Delgado: 동물과 인간에게 전기 자극을 이용하여 행동 제어
1960년대	뇌 심부 자극 치료 개발	파킨슨병 치료에 효과적인 것이 확인됨
1970년대	뇌 임플란트 관련 SF 작품 등장	William Gibson: 뇌 임플란트 다루는 SF 작품 등장
1980년대	뇌-컴퓨터 인터페이스 연구 발전	뇌 신경 신호 기록 및 해석 기술 발전
1990년대	뇌 임플란트 임상 시험 시작	다양한 신경 장애 치료를 위한 뇌 임플란트 임상 시험 진행
2000년대	침습적이지 않은 뇌 임플란트 연구 시작	뇌 수술 없이 삽입 가능한 뇌 임플란트 개발 시작
2010년대	뇌-컴퓨터 인터페이스 기술 발전	사지 절단 환자에게 적용하여 로봇 팔 제어 성공
2020년대	뇌 혈관에 삽입한 뇌-컴퓨터 인터페이스 개발	환자의 직접적인 생각으로 외부 장치를 제어

 

초기 연구 (1870년대)

Eduard Hitzig과 Gustav Fritsch는 1870년 개의 뇌 자극을 통해 근육 운동을 유발할 수 있음을 처음으로 보여주었다. Robert Bartholow는 1874년 인간에게도 동일한 실험을 수행하여 유사한 결과를 얻었으며, 20세기 초반에는 Fedor Krause가 뇌 수술 환자를 대상으로 뇌 영역 지도 작성을 시작했다.

 

20세기 중반 연구

1950년대 Robert G. Heath는 정신 질환 환자를 대상으로 뇌 자극을 통한 감정 조절 연구를 수행했다. Yale 대학의 생리학자인 Jose Delgado는 동물과 인간에게 전자 자극을 이용하여 행동을 제한적으로 조절할 수 있음을 보여주었다. 그는 뇌에 심어 기본적인 행동 (공격성, 쾌감 등)을 수정하는 전기 자극을 전달하는 기계인 스티모시버(stimceiver) 또는 경피 자극기(transdermal stimulator)를 발명했다. 1950년대 CIA는 MKULTRA와 같은 프로그램을 통해 조사 제어(mind control) 기술 연구에 자금을 지원했다고 추측이 있지만 증명되지는 않았다.

 

현대 연구

최근 연구는 마비 환자가 생각을 통해 외부 장치를 조작하고 텍스트 작성을 가능하게 하는 데 중점을 두고 있다. 2012년 선구자인 Leigh Hochberg 박사가 주도한 Nature 저널의 획기적인 연구에서는 사지 마비 환자 두 명이 BrainGate 신경 인터페이스 시스템에 연결되어 생각을 통해 로봇 팔을 제어하는 데 성공했다. 2020년 10월에는 두 명의 환자가 혈관을 통해 삽입된 Stentrode 뇌-컴퓨터 인터페이스를 사용하여 생각만으로 Surface Book 2 (윈도우 10)를 이용하여 문자 메시지, 이메일, 쇼핑, 뱅킹 등을 수행하는 데 성공했다. 이는 수술 없이 혈관을 통해 뇌-컴퓨터 인터페이스를 처음으로 삽입한 사례이다.

 

 

 

뇌 임플란트 기술 연구 동향

 

1. 다르파(DARPA)

미국 국방부 산하 연구기관인 DARPA는 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술 개발에 적극 투자하고 있다. 의수 발달을 위한 뇌 임플란트의 연구와 군사용으로 활용하기 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구 등을 진행하고 있다. 

 

DARPA에서 투자한 패라드로믹스의 뇌 임플란트 기술 개념도(출처: 로봇신문, DARPA, 뇌 임플란트 기술에 6천 5백만 달러 투자)

2. 뉴럴링크(Nueralink)

일론 머스크가 설립한 Neuralink는 인간과 컴퓨터를 연결화는 뇌-컴퓨터 인터페이스 개발에 주력하고 있다. 2020년에는 동물의 뇌에 Neuralink의 뇌 임플란트 기술을 적용하여 성공적로 이식한 결과를 발표하였다. 

 

생각만으로 게임하고 있는 원숭이 (출처:뉴럴링크 제공 유튜브 영상 캡쳐)

3. 싱크론(Synchron)

Synchron은 혈관을 통해 뇌에 삽입되는 뇌-컴퓨터 인터페이스 개발에 중점을 두고 있다. 2022년에는 임상 시험에서 4명의 환자가 Synchron의 뇌 임플란트 기술을 사용하여 컴퓨터 제어에 성공했다는 결과를 발표했다. 

 

싱크론의 뇌 임플란트 장치인 스텐트로이드 (출처: 테크레시피, "뇌파장치 제어 임플란트, FDA 승인 받았다.")

4. 기타

한국에서도 국립뇌과학연구원, 한국과학기술원(KAIST), 서울대학교 등의 기관에서 관련 연구를 진행하고 있는 중이다. 

 

 

 

뇌 임플란트 기술 전망

 

1. 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI)

뇌 임플란트 기술은 뇌와 컴퓨터를 연결하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술에 적용될 것이다. 일론 머스크의 뉴럴링크가 대표적인 예시이다. 이 기술은 마비 환자의 의사소통 능력 향상에 도움을 주고, 사지 절단 환자의 로봇 팔 제어, 인지 기능 증진 등에 활용될 수 있다. 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술은 인간과 컴퓨터의 상호 작용 방식을 근본적으로 변화시킬 것이다. 

 

스탠포드 연구진이 개발한 기존 보다 타이핑 속도 2배 빠른 BCI 기술(출처 : 네이처)

 

2. 인간 증강 (Human Augmentation)

뇌 임플란트 기술은 인간 증강에 활용될 수 있다. 인간 증강은 실용적인 방법으로 인간의 효율성이나 능력을 향상하는 데 사용되는 기술이다. 뇌 임플란트는 인간의 능력을 뛰어넘는 새로운 기능을 제공할 수 있다. 기억력, 집중력, 학습 능력 향상, 감각 회복 등이 가능할 것으로 예상된다. 

 

군에 적용된 인간증강기술 (출처 : U.S. Army)

 

3. 감각 회복

뇌 임플란트는 시작 장애인의 시력회복이나 청각 장애인의 청력 회복 등 감각 회복에 적용될 수 있다. 현재 인공 청각 기술은 이미 연구 단계에서 성공적인 결과를 보여주고 있다. 

 

4. 의료 분야

뇌 임플란트는 파킨슨병, 알츠하이머병, 치매 등의 신경 장애 치료에 활용될 수 있으며, 뇌졸중 환자의 재활 치료나 통증 완화 등에도 활용 가능할 것이다. 

 

뇌 심부 자극술 (출처 : 서울대학교병원 파킨슨 센터)

 

 

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