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사람이 근육이 아닌 뇌의 신호에 따라 행동한다는 사실은 지난 몇년간 많은 과학자와 신경과학자를 매료하였다. 오늘날, 베르거의 획기적인 발견 후 거의 한 세기가 지나고서야 그 가능성은 실체로 다가오고 있다. 비록 실체는 새롭고 일시적이고 그닥 대단하지는 않지만 BCI분야에 대한 잠재력을 이끌어내기엔 충분할 만큼 흥미롭다.
BCI?
일반적으로 중앙 신경계(CNS)의 기능은 외부 자극에 반응하거나 신체 조직의 활동의 부산물들에 반응하는 것이다. 모든 CNS의 결과물은 신경근 혹은 호르몬이다.
BCI는 CNS에 신경근도 호르몬도 아닌 새로운 결과를 가져다준다. BCI 시스템은 CNS의 활동을 측정하고 그것을 인공적인 결과물로 변환한다. 이것들은 CNS의 결과물을 대체, 복원, 증진, 보충 및 개선할 수 있고 그럼으로써 CNS와 체내외 환경과의 지속적인 상호작용을 할 수 있다.
BCI 정의를 이해하기 위해서는 CNS와 더불어 핵심 용어에 대한 이해가 필요하다. CNS는 뇌와 척수로 이루어져 있고 말초신경, 신경절, 감각 수용체로 이루어진 PNS(말초신경계)와는 다르다.
CNS의 구조는 뇌막 안쪽이라는 위치, 그들의 독특한 세포 구성과 조직 그리고 다양한 감각 기관 신호를 적절히 가공하여 운동기관을 움직이게 하는 기능으로 잘 알려져 있다. 반면 PNS는 신경절 안에 있지도 않고, CNS의 세포에 비해 구성상 고유성을 떨어지며 주기능은 감각 수용체로부터 CNS로 입력 신호를전달하고 출력 신호를 운동기관으로 전달하는 것이다.
CNS에서는 전기생리학적, 신경화학적 그리고 물질대사와 같이 다양한 반응들이 지속적으로 발생한다. 이들은 전자기파, 헤모글로빈의 산화 혹은 두피 및 뇌 안팎에서 전해진 자극들을 모니터링 함으로써 확인할 수 있다. BCI는 독특한 방식으로 뇌의 신호를 기록하고 다양한 체내외 반응으로 변환한다. 아래의 시나리오들을 살펴보자.
BCI는 외부 상처나 병으로 인해 잃어버린 생체 신호를 대체할 것이다. 가령 더 이상 말을 할 수 없더라도 BCI로 말을 입력하고 신시사이저를 통해 말할 수 있다. 혹은 관절 제어를 못하는 사람도 BCI로 휠체어를 조작할 수 있다. 이 사례들에서 알 수 있듯이 BCI는 생체 동작을 대체할 수 있다.
BCI는 생체 기능을 대체한다. BCI의 출력은 손상된 생체 기능을 복구할 수 있다. 예를 들어, 척수손상으로 팔과 손이 마비된 사람은 BCI가 마비된 근육에 전극을 심어 자극함으로써 관절을 움직일 수 있다. 혹은 다발성 경화증으로 인해 방광 기능을 손실한 사람도 마비된 신경을 BCI가 자극함으로써 방광을 제어하고 배뇨를 할 수 있다. 위 사례들은 BCI가 생체 기능을 복구할 수 있음을 보여둔다.
BCI는 중앙 신경계 기능을 향상할 수 있다. 예를 들어 어떤 사람이 지속적인 집중력을 요하는 작업을 한다면 BCI가 집중을 하기 전 두뇌의 행동을 감지하고 이를 통해 그 사람의 집중력이 향상되게 할 수 있다. 주기적으로 중앙신경계의 집중을 흐리는 요소를 차단함으로써 BCI 는 신경계의 기능을 강화할 수 있다.
BCI 는 중앙 신경계의 기능을 보완할 수 있다. 가령 조이스틱으로 컴퓨터를 조작하는 사람이라면 BCI를 이용해 커서로 아이템을 선택하게끔 할 수 있다. 혹은 사람이 BCI를 조작하여 제3의 팔이나 손을 쓸 수도 있다. 이 사례에서는 BCI가 인공적으로 기존 신경근의 역할을 보완해주고 더해주는 기능을 한다.
사례들을 통해 알 수 있는 것은 BCI 가 중앙 신경계의 기능을 개선할 것이라는 점이다. 예를 들어, 팔의 감각기관까지도 손상된 사람은 BCI를 통해 외부로부터의 충격량을 측정하여 근육을 자극하거나 보조 장치를 조작함으로써 팔의 움직임을 개선할 수 있다. 개선이 가능한 이유는 BCI가 활동을 반복할수록 CNS의 신경가소성 때문에 CNS를 통한 팔의 행동을 더 나은 방향으로 만들어 줄 수 있기 때문이다.
끝으로 BCI는 중앙신경계와 그것의 외부 혹은 내부 환경과의 상호작용에 변화를 가져다 준다. 중앙신경계는 끊임없이 체외와 체내에서 교류를 한다. 이 교류들은 내부에서 외부 환경에 대한 반응과 외부에서 내부로 들어온 반응을 포함한다. 중앙신경계의 행동을 측정하고 이것을 외부 환경에 영향을 끼치는 인공 신호로 변환함으로써 BCI의 기능들은 중앙신경계 활동의 영향뿐만 아니라 환경으로부터의 신호 입력 변화를 불러 일으킨다. 이런 환경으로부터의 신호 변화들은 피드백으로써 참조된다. 뇌의 행동을 감지하고 이를 사용해서 중앙신경계와 (체내외)환경간의 상호작용 변화에 어떠한 방식으로도 사용하지 않는다면 이것은 BCI가 아니다.
최근 핫한 BCI 연구는 물밀듯이 밀려오는 뇌와 뇌 장애에 대한 이해와 접근을 보장하는 신기술과 치료법에 관한 분야다.
이와 같은 신기술과 치료법은 고해상도 이미지처럼 영역간 구분이 잘 되게끔 하는 이미지 처리 기법들, 특정 부위를 자극하는 내장(체내에 심는) 장치들, 신경의 재건이나 복구를 도모하는 분자나 입자들, 손상 조직을 건강한 것으로 대체하는 세포와 필요 기능을 복구하는 복구체제들을 아우른다.
이러한 다양한 신기술들은 BCI 정의와는 달리 뇌에 직접 작용함으로써 뇌가 외부로 직접적 반응을 할 수 있게끔 한다. 동시에 대뇌피질, 피질 하부를 직접 자극하는 것 같이 이들 중 일부 기술들은 이들의 성능 향상을 위해 미래 BCI 체계에 녹아들 가능성이 있다.
BCI와 함께 직접적인 출력을 하는 직접 입력 기법들은 일반적 수준의 뇌 인터페이스에 들어 맞는다. 직접 입력하는 기법이 무엇이든 간에 언젠가 그들 각자만의 설계를 가지고 BCI로써 완성될 것이다. 아직은 갈 길이 멀지만.
