뇌-컴퓨터 인터페이스 기술에서 연구자들의 돌파구

브레인게이트 연구자들은 최근 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 분야에서重大한 돌파구를 이루어냈으며, 테트라플레지아 환자들이 무선 뇌-컴퓨터 인터페이스를 사용하여 표준 태블릿 컴퓨터에서 포인팅, 클릭 및 타이핑을 수행할 수 있음을 보여주었다. 이는 이러한 시스템을 사용한 최초의 시도였으며, 단일 신경 세포 해상도로 뇌 신호를 전송할 수 있다.

이 연구는 지난달 IEEE Transactions on Biomedical Engineering에 발표되었다.

시스템은 또한 전반적인 대역폭 신호를 전송하며, 사용자를 디코딩 시스템에 물리적으로 연결할 필요가 없다. 전통적인 케이블 대신, 시스템은 2인치 전송기가 사용되며, 이는 1.5온스보다 조금 더 무겁다. 이 유닛은 사용자의 머리 위에 위치하며, 뇌의 운동 피질에 있는 전극 어레이에 연결되며, 유선 시스템에서 사용하는 동일한 포트를 통해 이를 수행한다.

이 연구는 두 명의 임상 시험 참가자가 마비를 앓고 있으며, 브레인게이트 시스템과 무선 전송기를 사용하였다. 무선 전송기를 통해 참가자들은 표준 태블릿 컴퓨터에서 포인팅, 클릭 및 타이핑을 수행할 수 있었다.

이 연구는 무선 시스템이 유선 시스템과 동일한 신뢰성을 갖는 신호를 전송할 수 있음을 보여주었다.

존 시메랄은 브라운 대학교의 공학 조교수이며, 이 연구의 주요 저자이자 브레인게이트 연구 컨소시엄의 회원이다.

“우리는 이 무선 시스템이 기존의 유선 시스템과 기능적으로 동일하다는 것을 보여주었다”고 시메랄은 말했다. “신호는 기록되고 전송되며, 유선 장비에서 사용한 동일한 디코딩 알고리즘을 사용할 수 있다. 유일한 차이점은 사람들이 더 이상 우리의 장비에 물리적으로 연결할 필요가 없다는 것이다. 이것은 시스템을 사용할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.”

연구자들은 이 새로운 돌파구가 완전히 임플란트할 수 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템을 개발하는 데 한 걸음 더近づけた다고 말했다. 이 새로운 개발은 첫 번째로 전반적인 신호 대역폭을 전송할 수 있는 장치이다.

연구 결과

임상 시험은 35세와 63세의 두 명의 남성이 참여했으며, 두 참가자는 모두 척수 손상을 입었다. 참가자들은 케이블이 없기 때문에 연구소 대신 집에서 시스템을 사용할 수 있었으며, 24시간 동안 시스템을 사용할 수 있었다. 이 긴 기간 동안 연구자들은 장기간의 데이터를 수집할 수 있었다.

리 하우버그는 브라운 대학교의 공학 교수이자 브라운의 카니 연구소의 연구자이다. 하우버그는 브레인게이트 임상 시험을 주도했다.

“우리는 신경 신호가 시간의 경과에 따라 어떻게 진화하는지 이해하고 싶다”고 하우버그는 말했다. “이 시스템을 사용하면 우리는 집에서 장기간에 걸쳐 뇌 활동을 관찰할 수 있다. 이것은 마비 환자들의 의사소통과 이동성의 무결하고 직관적이고 신뢰할 수 있는 회복을 제공하는 디코딩 알고리즘을 설계하는 데 도움이 될 것이다.”

브레인게이트 컨소시엄

브레인게이트 컨소시엄은 브라운, 스탠퍼드, 케이스 웨스턴 리저브 대학교의 연구자들로 구성된 학제간 그룹이다. 또한 프로비던스 베테랑스 어페어스 메디컬 센터와 매사추세츠 종합병원의 연구자들도 참여하고 있다.

이 팀은 2012년에 임상 시험 참가자들이 뇌-컴퓨터 인터페이스를 사용하여 다차원 로봇 프로스θε틱스를 작동시킬 수 있음을 보여주는 연구를 발표했다. 이후 그룹은 시스템을 지속적으로 개선하고 새로운 돌파구를 이루어냈다.

샤를렌 플레셔는 공동 저자이자 스탠퍼드 대학교의 전 박사 후 연구원이다. 플레셔는 현재 애플에서 하드웨어 엔지니어로 일하고 있다.

“무선 전송기를 사용하는 뇌-컴퓨터 인터페이스의 발전은 완전히 임플란트할 수 있는 고성능 신경 인터페이스의 기능적 사용을 위한 주요한 단계이다”고 플레셔는 말했다. “이 분야가 전송 대역폭을 줄이면서 보조 장치 제어의 정확성을 유지하는 방향으로 나아가고 있는 상황에서, 이 연구는 확장된 기간 동안 코티컬 신호의 전체 범위를 포착하는 소수의 연구 중 하나일 수 있다.”

브레인게이트 팀은 장비가 무선이고 기술자가 필요 없기 때문에 COVID-19 팬데믹期间에도 연구를 계속할 수 있었다.

하우버그는 또한 매사추세츠 종합병원의 중환자 신경과 의사이자 V.A. 재활 연구 및 개발 센터의 책임자이다.

“2020년 3월, 우리가 연구 참가자의 집을 방문할 수 없다는 것이 명백해졌다”고 하우버그는 말했다. “그러나 우리 팀의 구성원들이 물리적으로 존재하지 않아도 무선 연결을 설정하는 방법을 교육함으로써, 참가자는 우리 팀의 구성원 없이도 뇌-컴퓨터 인터페이스를 사용할 수 있었다. 따라서 우리는 연구를 계속할 수 있었으며, 이 기술로 인해 이전과 동일한 대역폭과 신뢰성을 유지할 수 있었다.”

시메랄에 따르면, “여러 회사가 뇌-컴퓨터 인터페이스 분야에 훌륭하게 진입했으며, 일부 회사는 이미 저대역 무선 시스템의 인간 사용을 보여주었다. 일부 시스템은 완전히 임플란트할 수 있다. 이 보고서에서 우리는 고대역 무선 시스템을 사용하여 미래 시스템의 과학적 및 임상적 능력을 향상시켰다.”