뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 통해 촉각을 되살리는 기술이 개발됐다.

미국 시카고대학은 홈페이지를 통해 피츠버그 대학교를 포함한 공동 연구팀이 뇌에 직접 전기 자극을 주어 의수에 촉각을 느끼게 하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술은 뇌에 작은 전극을 이식해 로봇 팔을 움직이고, 로봇 팔의 센서가 감지한 촉각 정보를 다시 뇌로 전달하는 방식이다. 

이 연구는 시카고 대학, 피츠버그 대학, 노스웨스턴 대학, 케이스 웨스턴 리저브 대학, 블랙록 뉴로테크의 과학자와 엔지니어들의 협력으로 수행됐다. 연구팀은 사지 기능을 상실한 사람들의 운동 제어 및 감각 회복을 목표로 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 로봇 의수를 설계, 제작, 구현 및 개선하고 있다.

시카고 대학의 신경과학자 찰스 그린스폰 박사는 "사람들은 타이핑, 걷기, 컵 잡기 등 시각 대신 촉각에 의존하는 경우가 얼마나 많은지 인지하지 못한다"며 "촉각을 느낄 수 없다면 어떤 일을 할 때도 손을 계속 봐야 하고, 물건을 쏟거나 깨뜨리거나 떨어뜨릴 위험이 있다"고 말했다.

그린스폰 박사 연구팀은 최근 '네이처 바이오메디컬 엔지니어링'과 '사이언스'에 해당 기술에 대한 논문을 게재했다.

인공 촉각 구현, 어디까지 왔나

연구팀은 손을 움직이고 느끼는 뇌 부위에 작은 전극 배열을 이식하는 방법을 사용했다. 참가자는 움직임을 생각하는 것만으로 로봇 팔을 움직일 수 있고, 로봇 팔의 센서는 촉각 담당 뇌 부위에 '피질 내 미세 자극(ICMS)'이라는 전기 활동 펄스를 유발한다.

약 10년 동안 이러한 촉각 중추 자극은 손의 여러 부위에서 단순한 접촉 감각만 제공할 수 있었다. 그린스폰 박사는 "무언가를 만지고 있다는 느낌을 불러일으킬 수는 있었지만, 대부분 단순한 온/오프 신호였고, 종종 매우 약하고 손의 어느 부분에서 접촉이 발생했는지 알기 어려웠다"고 설명했다.

정확하고 안정적인 촉각, 그리고 움직임까지

네이처 바이오메디컬 엔지니어링에 발표된 첫 번째 연구에서 연구팀은 전기적으로 유발된 촉각이 안정적이고 정확하게 위치하며 일상적인 작업에 유용할 만큼 강력한지 확인하는 데 중점을 두었다.

테스트 참가자들의 촉각 중추에 있는 개별 전극에 짧은 펄스를 전달하고 각 감각을 어디에서 얼마나 강하게 느끼는지 보고하게 함으로써 연구원들은 손의 특정 부분에 해당하는 뇌 영역의 상세한 '지도'를 만들었다. 테스트 결과 두 개의 가까운 전극을 함께 자극하면 참가자는 더 강하고 명확한 촉각을 느껴 손의 정확한 부분에 대한 압력을 더 잘 파악할 수 있었다.

또한 연구팀은 동일한 전극이 지속적으로 특정 위치에 해당하는 감각을 생성하는지 확인하기 위해 철저한 테스트를 수행했다. 

그린스폰 박사는 "첫날 전극을 자극했을 때 참가자가 엄지손가락에서 느꼈다면, 100일, 1,000일, 심지어 몇 년 후에도 동일한 전극을 테스트했을 때 여전히 거의 같은 지점에서 느낀다"고 말했다.

사이언스에 발표된 두 번째 연구에서는 인공 촉각을 더욱 몰입적이고 직관적으로 만들기 위해 노력했다. 연구팀은 촉각 영역이 겹치는 전극 쌍이나 클러스터를 식별한 후, 감각 지도에서 감각이 진행되도록 신중하게 조정된 패턴으로 활성화했다.

참가자들은 자극이 작고 불연속적인 단계로 전달되었음에도 불구하고 손가락 위로 부드럽게 미끄러지는 듯한 촉각을 느꼈다고 보고했다. 연구팀은 이 결과를 뇌가 감각 입력을 연결하고 '지각의 틈을 채워' 일관된 움직임으로 해석하는 놀라운 능력 덕분이라고 설명했다.

전극을 순차적으로 활성화하는 방식은 참가자가 복잡한 촉각 모양을 구별하고 만지는 물체의 변화에 반응하는 능력을 크게 향상시켰다. 참가자들은 손가락 끝에 전기적으로 '그려진' 알파벳을 식별할 수 있었고, 바이오닉 팔을 사용하여 손에서 미끄러지기 시작하는 스티어링 휠을 안정시킬 수 있었다.

더욱 실감나는 신경 보철 기술 기대

연구팀은 전극 설계와 수술 방법이 계속 개선됨에 따라 손 전체에 대한 범위가 더욱 정밀해져 더욱 실감 나는 피드백을 제공할 수 있기를 기대한다.

피츠버그 대학의 재활의학과 부교수이자 자극 연구 책임자인 로버트 건트 박사는 "이 두 연구 결과를 로봇 시스템에 통합하여 단순한 자극 전략으로도 사람들이 뇌로 로봇 팔을 제어하는 능력을 향상시킬 수 있음을 보여주었다"고 말했다.

그린스폰 박사는 이 연구의 동기가 사지 절단이나 마비로 고통받는 사람들의 독립성과 삶의 질을 향상시키는 것이라고 강조했다. 그는 "우리 모두는 부상을 입고 사지를 사용할 수 없게 된 사람들을 돕고 싶어한다"며 "이 연구는 그들을 위한 것이다. 이것이 우리가 사람들에게 촉각을 되돌려주는 방법이다. 복원 신경 기술의 최전선이며 뇌의 다른 영역으로 접근 방식을 확장하기 위해 노력하고 있다"고 말했다.

연구팀은 "촉각을 느끼는 뇌 부위를 정확히 파악하고, 전기 자극을 미세하게 조절하는 게 관건"이라며 "앞으로 전극 설계와 수술 방법을 개선해 더욱 실감나는 촉각을 구현할 수 있도록 노력할 것"이라고 밝혔다.

이 접근 방식은 다른 유형의 감각 상실이 있는 사람들에게도 희망을 준다. 연구팀은 유방 절제술 후 촉각을 회복할 수 있는 이식형 장치를 개발하는 '바이오닉 유방 프로젝트'를 위해 시카고 대학의 외과 의사 및 산부인과 의사와 협력하고 있다.

아직 많은 과제가 남아 있지만, 이러한 최신 연구는 촉각을 회복하는 길이 점점 더 명확해지고 있음을 보여준다.