‘음성 신경보철’ 기술, 중대한 마비 환자에게 언어 회복

인공 지능(AI) 보철 분야에서 또 하나의 주요 발전이 이루어졌습니다. 캘리포니아 대학교 샌프란시스코(UCSF)의 연구자들은 중대한 마비 환자에게 부분적으로 언어를 회복시킨 “음성 신경보철” 기술을 개발했습니다. 이 새로운 기술은 뇌 신호를 음성 기관으로 번역하여 문장을 말할 수 있게 해주었습니다. 그 후에 그 단어가 화면에 나타났습니다.

이 연구는 임상 연구의 첫 번째 참가자와 관련이 있었으며, 10년 이상 동안 진행된 연구의 일부였습니다. UCSF의 신경외과 전문의 Edward Chang 박사는 마비 환자가 스스로 말할 수 없을 때도 의사소통할 수 있는 기술을 개발하려고 시도했습니다.

이 연구는 7월 15일 뉴잉글랜드 의학 저널에 발표되었습니다.

첫 번째 시스템

Chang은 UCSF의 신경외과 의사이며, 이 연구의 선임 저자입니다.

“우리의 지식에 따르면, 이것은 마비 환자의 뇌 활동에서 전체 단어를 직접 해독하는 첫 번째 성공적인 시연입니다.”라고 Chang은 말했다. “이것은 자연스러운 언어 기계를 활용하여 의사소통을 회복하는 데 강한 약속을 보여줍니다.”

이 분야의 전통적인 연구는 문자 기반 접근 방식을 사용하여 텍스트로 글자를 하나씩 작성하는 방식으로 의사소통을 회복하는 데 중점을 두었습니다. 그러나 새로운 연구는 말하는 단어를 제어하는 음성 기관의 근육을 실제로 제어하기 위한 신호를 번역하는 데 중점을 두었습니다. 이것은 전통적인 연구와 다르며, 전통적인 연구는 팔이나 손의 움직임을 제어하는 신호에 중점을 두었습니다.

Chang에 따르면, 새로운 접근 방식은 언어의 자연스럽고 유동적인 측면을 활용하며, 이 분야에서 더 많은 발전을 이끌 수 있을 것입니다. 그는 또한 문자 기반 접근 방식은 타이핑, 글쓰기, 커서 제어와 같은 것이 더 느리다고 말했습니다.

“우리는 일반적으로 언어로 정보를 매우 높은 속도로 전달합니다. 1분당 150~200 단어까지 가능합니다.”라고 그는 말했다. “여기서처럼 단어로 바로 가는 것은 우리가 일반적으로 말하는 방식에 더 가깝습니다.”

Chang의 이전 연구는 UCSF의 간질 센터에서 뇌 수술을 받는 환자들을 대상으로进行되었습니다. 연구진은 환자의 뇌 표면에 전극 어레이를 배치하여 발작의 원인을 감지했습니다. 환자들은 정상적인 언어를 가지고 있었으며, 그 결과는 현재 마비 환자를 대상으로 하는 연구에 기여했습니다.

연구진은 신경 활동 패턴을 해독하고 통계적 언어를 사용하여 정확도를 개선하는 방법을 개발했습니다.

David Moses 박사는 Chang 연구소의 박사 후 연구원이며, 이 연구의 공동 저자입니다.

“우리의 모델은 복잡한 뇌 활동 패턴과 의도된 언어를 매핑하는 방법을 배울 필요가 있었습니다.”라고 Moses는 말했다. “그것은 참가자가 말할 수 없을 때 큰 도전이 됩니다.”

첫 번째 참가자

이 연구의 첫 번째 참가자는 15년 전 뇌간졸중을 앓은 30대 후반의 남성으로, 뇌와 음성 기관 및 사지 사이의 연결이 심하게 손상되었습니다.

Chang의 팀은 50개의 단어로 구성된 어휘를 개발하여 참가자가 사용할 수 있도록 하였으며, 참가자는 일상적인 개념을 표현하는 수백 개의 문장을 만들 수 있었습니다.

그는 음성 운동 피질에 고밀도 전극 어레이를 이식해야 했으며, 회복 후 48회에 걸쳐 22시간 동안 이 뇌 영역의 신경 활동을 기록했습니다.

Sean Metzger와 Jessie Liu는 Chang 연구소의 생명공학 박사 과정 학생이며, 기록된 신경 활동 패턴을 특정한 의도된 단어로 번역할 수 있는 맞춤형 신경망 모델을 개발했습니다.

테스트 결과, 시스템은 뇌 활동에서 단어를 최대 18단어/분의 속도로 해독할 수 있었으며, 93%의 정확도를 보였습니다. 연구진은 언어 모델에 “자동 수정” 기능을 적용하여 정확도를 개선했습니다.

“우리는 다양한 의미 있는 문장을 정확하게 해독하는 것을 보며 기뻤습니다.”라고 Moses는 말했다. “우리는 실제로 이러한 방식으로 의사소통을 촉진할 수 있으며, 대화 상황에서 사용할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여주었습니다.”

연구진은現在 중대한 마비와 의사소통 문제를 겪는 더 많은 참가자를 대상으로 연구를 확대할 계획입니다. 또한 어휘의 단어 수를 늘리고 발화 속도를 개선하는 데에도 노력할 것입니다.

“이것은 자연스럽게 의사소통할 수 없는 사람에게 중요한 기술적 里程碑입니다.”라고 Moses는 말했다. “이 접근 방식이 중대한 마비와 언어 상실을 겪는 사람들에게 목소리를 줄 수 있는 잠재력을 보여줍니다.”