마비 환자가 뇌파로 팔을 움직였다. 과거에는 그저 공상 과학 소설 속 이야기로 여겨졌던 일이 현실로 성큼 다가왔다. 

캘리포니아대학교 샌프란시스코 캠퍼스(UC San Francisco, UCSF)의 연구진이 최근 인공지능(AI) 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 통해 마비 환자가 오직 생각만으로 로봇 팔을 움직이는 데 성공했다는 획기적인 소식을 전해왔다. 이는 마비로 고통받는 환자들의 삶의 질을 근본적으로 개선할 수 있는 혁신적인 진전으로 평가된다.

이번 연구는 특히 BCI 기술의 장기적 안정성과 적응형 학습 능력을 뚜렷하게 입증했다는 점에서 전 세계의 이목을 집중시키고 있다. 기존 BCI 장치들은 기술적 한계로 인해 며칠 이상 안정적인 작동을 담보하기 어려웠으나, UCSF 연구진이 개발한 AI 강화 BCI는 무려 7개월이라는 놀라운 기간 동안 안정적으로 작동했다. 더욱 획기적인 것은 이 장치가 뇌 활동의 일일 변화에 스스로 적응하는 능력을 갖춰, 시간이 흐르더라도 초기와 같은 높은 수준의 정확도를 꾸준히 유지한다는 점이다.

연구를 총괄 지휘한 UCSF 웨일 신경과학 연구소의 신경과 교수 카루네시 강굴리(Karunesh Ganguly) 박사는 "인간의 학습 능력과 AI의 강력한 데이터 처리 능력을 융합하는 것은 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술이 다음 단계로 나아가기 위한 필수적인 과정"이라며, "이번 연구는 BCI 기술이 궁극적으로 인간의 정교하고 자연스러운 움직임을 구현하는 수준까지 발전하는 데 중요한 발판이 될 것"이라고 강조했다.

가상 훈련 거쳐 '현실' 로봇 팔 제어 성공

강굴리는 동물의 뇌활동 패턴이 특정 움직임을 어떻게 나타내는지 연구했고, 동물이 학습함에 따라 이러한 패턴이 매일 변하는 것을 확인했다. 그는 인간에게도 같은 일이 일어나고 있다고 추정했다. 

연구진은 뇌졸중 발병 후 수년 동안 마비 상태로 지내온 남성 환자를 대상으로 이번 실험을 진행했다. 환자의 뇌 표면에 아주 작은 센서들을 심어, 그가 움직임을 상상할 때 발생하는 미세한 뇌 활동 신호를 감지하도록 설계했다. 

연구진은 참가자에게 2주 동안 손가락, 손 또는 엄지손가락으로 간단한 동작을 하는 자신의 모습을 상상해 보라고 요청하고 센서가 뇌 활동을 기록하여 AI를 훈련시켰다. 그런 다음 참가자는 로봇 팔과 손을 제어하려고 시도했다. 하지만 여전히 움직임이 정확하지 않았다. 그래서 강굴리는 참가자에게 가상의 로봇 팔로 연습하게 하고 시각화의 정확도에 대한 피드백을 제공했다. 

참가자가 실제 로봇 팔로 연습을 시작한 후 몇 번의 연습 세션만 거치면 자신의 기술을 실제 세계로 옮길 수 있었다. 그는 로봇 팔로 블록을 집어 돌리고 새로운 위치로 옮길 수 있었다. 심지어 캐비닛을 열고 컵을 꺼내 정수기까지 들어올릴 수 있었다. 

연구 초기 단계에서 환자는 시각화 훈련을 통해 가상 로봇 팔을 정확하게 제어하는 연습에 집중했다. 강굴리 박사는 "환자가 가상 환경에서 자신의 의도대로 팔을 움직이는 방법을 완전히 숙달하자, 놀랍게도 실제 로봇 팔을 제어하는 데에는 단 몇 번의 훈련 세션만으로 충분했다"고 당시 상황을 설명했다.

실제 로봇 팔을 이용한 실험에서 환자는 단순히 생각만으로 물건을 집어, 옮기고, 원하는 장소에 내려놓는 등 섬세한 동작들을 막힘없이 수행해냈다. 심지어 컵을 집어 들고 물 디스펜서에서 물을 받아 마시는, 비교적 복잡한 일상생활 동작까지 성공적으로 해내는 모습을 보여주었다. 

이러한 결과는 AI 기반 BCI 기술이 더 이상 실험실 안의 몽상이 아닌, 실제 삶의 영역에서 마비 환자들에게 실질적인 도움을 줄 수 있는 혁신적인 기술임을 분명하게 보여주었다.

AI, 뇌파 변화 '실시간'으로 읽는다

이번 연구의 핵심 성공 요인은 개발된 AI 모델이 인간 뇌 활동 패턴의 미묘한 변화를 스스로 학습하고 적응하는 데 있다. 강굴리 박사는 이전 연구에서 동물이 새로운 동작을 학습하는 과정에서 뇌 활동 패턴이 매일매일 미세하게 변화한다는 사실에 주목했다. 그는 이러한 뇌 활동의 '변동성'이 BCI 기술이 장기적으로 안정적인 성능을 유지하는 데 가장 큰 걸림돌이라고 판단했다.

연구진은 환자가 특정 동작을 반복적으로 상상하는 동안 뇌 활동이 시간의 흐름에 따라 어떻게 변화하는지 면밀하게 분석했다. 그리고 이러한 분석 결과를 토대로, 뇌 활동의 변화 패턴을 실시간으로 반영하여 BCI 시스템의 성능을 최적화하는 AI 모델을 개발하는 데 성공했다. 

이처럼 뛰어난 적응 능력을 갖춘 AI 덕분에 개발된 BCI는 장기간 사용에도 불구하고 놀라운 안정성을 유지할 수 있었으며, BCI 기술의 상용화 가능성을 한층 끌어올렸다는 평가를 받고 있다.

연구에 핵심적인 역할을 담당한 니킬레스 나타라즈(Nikhilesh Natraj) 박사는 "AI는 뇌 활동의 변화를 정확하게 예측하고 그 변화에 맞춰 시스템을 자동으로 보정함으로써 BCI의 성능을 극대화하는 데 결정적인 역할을 했다"며, "이번 연구 결과는 BCI 기술이 실험실을 넘어 실제 의료 현장과 일상생활에 적용될 수 있는 시점을 앞당기는 획기적인 전환점이 될 것"이라고 기대감을 내비쳤다.

"마비 환자 삶, BCI로 바꿀 수 있다"

현재 강굴리 박사 연구팀은 개발된 AI 모델을 더욱 고도화하여 로봇 팔의 움직임을 지금보다 훨씬 빠르고 부드럽게 만들 수 있도록 연구에 박차를 가하고 있다. 뿐만 아니라, BCI 기술을 환자의 가정 환경에 적용했을 때의 실효성과 안전성을 검증하기 위한 후속 연구도 계획 중이다.

강굴리 박사는 "마비 환자들이 BCI 기술을 통해 스스로 식사를 하고, 목마를 때 물을 마실 수 있게 된다면, 그들의 삶은 상상하기 어려울 정도로 크게 바뀔 것"이라며, "이번 연구를 통해 우리는 드디어 BCI 시스템을 실용화할 수 있다는 확신을 얻었으며, 머지않아 이 기술이 실제 환자들의 삶 속에 깊숙이 들어올 수 있도록 최선을 다할 것"이라고 힘찬 포부를 밝혔다.

NIH 지원, '셀' 논문 게재 '주목'

이번 연구는 미국 국립보건원(NIH)의 전폭적인 지원을 받아 진행되었으며, 연구 성과는 세계 최고 권위의 과학 학술지 중 하나인 '셀(Cell)' 2025년 3월 6일자에 정식 게재되어 전 세계 과학계의 뜨거운 주목을 받고 있다. 논문에는 UCSF의 사라 세코(Sarah Seko)와 아델린 투-찬(Adelyn Tu-Chan), 그리고 로드아일랜드대학교의 레자 아비리(Reza Abiri) 박사 등이 공동 저자로 이름을 올렸다.

이번 연구는 더 이상 치료가 불가능하다고 여겨졌던 마비 질환 환자들에게 AI 기반 BCI 기술이 새로운 희망의 빛을 비춰줄 수 있음을 분명히 보여주는 기념비적인 성과다.  향후 BCI 기술이 지속적인 연구 개발을 통해 더욱 발전하여, 마비로 고통받는 수많은 환자들이 불편함 없이 로봇 팔을 자유롭게 사용하고, 보다 인간다운 삶을 되찾을 수 있기를 간절히 기대해 본다.