UCLA, 인간의 두뇌를 해독할 수 있는 새로운 시스템 개발
UCLA, 인간의 두뇌를 해독할 수 있는 새로운 시스템 개발
  • 이성준 기자
  • 승인 2020.09.29 16:05
  • 댓글 0
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이미지 출처: christitzeimaging.com/Shutterstock.com
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[퓨처타임즈=이성준 기자] 인간의 두뇌를 해독하기 위한 새로운 시스템이 있다. Mo-DBRS는 거대한 자석이 머리 주위를 찰칵 소리를 내며, 찰칵 소리를 내는 동안 사람이 가만히 있지 않도록 하는 자연스러운 환경에서 이러한 뇌 과정에 대한 창을 제공한다. Mo-DBRS는 현실세계와 가까운 환경에서 인간의 뇌 신호를 분석할 수 있는 기회를 제공하는 동시에 태블릿에서 몇 번의 탭으로 이러한 뇌 신호를 무선으로 변경할 수 있다. 신경 자극을 포함하는 새로운 치료법을 탐구하고 이러한 유형의 치료에 관여하는 신경 메커니즘을 이해하는 것을 시작할 수 있다.

첨단 캘리포니아의 경우에도 UCLA 주변을 산책하는 남자는 흥미로운 광경이었다. 그의 모션 캡처 슈트, 센서내장 장갑, 가상현실 안경은 이미 머리를 돌리기에 충분했다. 그러나 사람들을 그들의 궤도에 멈춰서 그들을 응시하게 만든 것은 원형 전극 커넥터가 내장된 수영 모자와 같은 장치를 통해 그의 머리에 단단히 묶인 기괴한 헤드 기어였다. 헤드 기어에서 몇 개의 탄력 있는 전선이 튀어나와 (경찰 사이렌 인클로저에 연결된 휴대용 하드 드라이브 그림) 배낭 속으로 사라졌다. 반 사이보그 모양은 공상과학 미래주의와 하드웨어 매드립스 사이에 흩어져 있다. 

인간의 뇌를 해독하는 방법을 근본적으로 바꿀 수 있는 설정인 Mo-DBRS를 만나보자.

전체 플랫폼은 뇌 기록, 바이오 마커, 모션 캡처, 시선 추적 및 AR/VR 비주얼을 동기화하는 기술 카메라이다. 대부분의 처리 구성 요소는 배낭에 채워져 있어 착용자가 '유선'컴퓨터에 묶이지 않는다. 대신 그들은 현실세계에서든 VR에서든 자유롭게 이동하고 탐색할 수 있다. MRI와 같은 뇌 스캔 기술로는 일반적으로 불가능한 일이다.

움직임은 뇌 스캔에 사소한 추가처럼 보일 수 있지만 게임 체인저이다. 우리 주변의 세계를 탐험하면서 우리의 소중한 신경 기능 (기억, 의사 결정) 중 많은 부분이 연마된다. 기존과 다른 모습에도 불구하고 Mo-DBRS는 현실세계와 가까운 환경에서 인간의 뇌 신호를 분석할 수 있는 기회를 제공하는 동시에 태블릿에서 몇 번의 탭으로 이러한 뇌 신호를 무선으로 변경할 수 있다.

Mo-DBRS를 지원하는 모든 맞춤형 소프트웨어는 오픈 소스이므로 신경과학자는 플랫폼을 즉시 사용하고 기여할 수 있다. 하지만 이 설정은 뇌에 전극을 이식한 지원자에 의존하기 때문에 현재 발작을 진단하고 예방하는 데 도움이 되는 신경 이식을 이미 보유하고 있는 간질이 있는 소수의 사람들에게만 테스트되고 있다.

지난주 Neuron에 게시된 트위터의 신경과학 커뮤니티의 반응은 만장일치로 '와우!'였다. 파킨슨 재단의 의료 책임자인 마이클 오쿤 박사는 '환상적인 작업'이라고 썼다. Technische Universität Berlin의 모바일 뇌 영상 연구자인 Klaus Gramann 박사는 '매우 인상적인 설정'이라고 트윗했다.

UCLA의 수석 저자인 Dr. Nanthia Suthana는 "1일 대학원 이후 인간의 심부 뇌 영역 (예: 해마)에서 공간 탐색 및 학습/기억 동안 자연 주의적 경험에서 기록할 수 있는 꿈"이라고 트윗했다. "나의 연구팀이 그 꿈을 이루었다!"라고 말했다.

그래서 문제는 무엇인가?

Mo-DBRS는 뉴럴링크(Neuralink)의 뇌 임플란트만큼 매끄럽지 않다. 또한 이미 뇌에 전극이 있는 사람에게만 제한된다. 그래서 큰 문제는 무엇일까?

모든 것이다. 그 공상과학적 꿈은 기억을 회복하고, 마비를 되돌리고, 우울증과 싸우고, 두려움을 없애고, 의식을 해결하는 것일까? 그들은 모두 인간 두뇌의 신경 코드를 포착하고 이해하는 데 의존한다. 즉, 전기적 발사가 어떻게 기억, 감정 및 행동으로 바뀔까? 현대 신경과학이 시작된 이래로 이것은 생쥐 또는 다른 실험 동물에 이식된 전극을 사용하여 수행되었다.

당신이 누구인지의 토대가 되는 두뇌 능력인 기억을 생각해보라.

지금까지 기억 연구는 대부분 미로 주변을 돌아다니며 맛있는 간식을 찾는 설치류에 의존해 왔다. 이 실험은 우리가 주차장에서 자동차를 찾는 것을 시뮬레이션하고 그 공간 기억 뒤에 있는 뇌파를 식별한다. 과학자들은 뇌 깊숙이 파묻힌 해마 모양의 구조인 쥐의 해마로부터 신호를 기록함으로써 우리의 기억이 작동하는 방식, 즉 단일 경험이 시간과 공간에 연결되는 방식, 소중한 기억이 연결되는 방식에 대한 프레임 워크를 설정했다.

명백한 문제? 인간은 생쥐가 아니다.

뇌가 기억만큼 친밀한 기능을 하는 경우 설치류의 뇌 기록에서 추정하기가 매우 어렵다. 기능적 MRI (fMRI) 또는 자기 뇌파 검사(MEG)와 같은 인간을 위한 전통적인 뇌 영상 방법은 장소를 기억할 때 (종종 비디오 화면에서 재생됨) 뇌의 고정된 영상을 그릴 수 있지만 설정은 '정상'과는 거리가 멀다. 그 사람은 완전히 움직이지 않는다. 

Mo-DBRS 만나기

Mo-DBRS는 인간의 뇌에서 무선으로 실시간으로 읽고 쓰는 동안, 사람이 걸어 다니는 동안, 신경 기록을 심박수, 호흡 및 기타 바이오 마커 센서와 결합하는 등 뇌 디코딩 요구에 대한 전체 '위시리스트'를 추적한다.

영감은 뇌에 이미 전극을 이식하고 정상적인 삶을 살아가는 간질 및 기타 신경계 질환 환자에게서 나왔다. "만성 감지 및 자극 장치를 가진 2,000명 이상의 개인이 있다. 추가 침습적 치료가 성공적으로 입증됨에 따라 그 수가 증가할 것으로 예상된다."고 팀은 썼다. 이러한 장치는 기억, 감정 및 움직임을 제어하는 뇌의 깊은 영역에 이식된다. 저자는 치료를 방해하지 않도록 주의 깊게 계획을 세운 상태에서 이러한 신경 기록을 활용하여 설치류 연구나 MRI 스타일의 움직이지 않는 뇌 영상에 의존하는 대신 실제 환경에서 인간의 뇌 활동을 직접 해독할 수 있다고 생각했다.

Mo-DBRS의 뇌 기록 및 자극 설정의 핵심은 뇌전증 환자가 발작을 제어하는 데 도움을 주기 위해 종종 두개골 내부에 이식되는 NeuroPace라는 의료 기기이다. NeuroPace를 뇌의 맥박 조정기로 생각하라. 뇌의 전기 신호를 읽고 뇌에 기록할 수 있다. 발작 전기 폭풍이 발생하지 않도록 짧은 전기 펄스를 사용한다. 그러나 라디오처럼 많은 뇌 과정이 특정 주파수에 의존한다. 발작을 제어하는 데 도움이 되는 주파수를 차단함으로써 팀은 사람들이 새로운 환경을 탐색할 때 형성되는 전기 신호와 같은 다른 뇌 과정을 듣고 제어할 수 있었다. 이식된 장치의 데이터는 머리 바깥쪽에 묶인 맞춤형 '지팡이'(이상한 하드 드라이브 경찰 사이렌 모양의 물건)로 무선 전송된다.

이 팀은 지팡이에 연결된 Raspberry PI 컴퓨터와 태블릿 (둘 다 배낭 안에 보관되어 있음)을 사용하여 신경 임플란트를 무선으로 프로그래밍하여 전기 펄스를 뇌에 전달할 수 있었다. 동시에 팀은 수영모처럼 머리에 착용하는 모자에 내장된 전극을 통해 뇌의 전기파를 측정하는 두피 EEG도 추가했다. 이 기술 태그 팀은 뇌 내부와 외부에서 폭발적인 신경 데이터를 제공한다.

뇌를 넘어서, 팀은 심박수, 호흡 및 땀을 감지하는 가슴 끈을 지원자들에게 추가로 장착했다. 이 바이오 마커는 특정 기억에 대한 정서적 반응을 포착하여 정서적으로 충전된 기억이 어떻게 머무르는 경향이 있는지 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 모든 데이터를 동기화하기 위해 팀은 실험의 시작을 표시하기 위해 뇌 기록에 인위적인 '마킹 신호'(이상하게 보이는 전기 패턴)를 추가했다.

전체 시스템의 무게는 약 4kg이며 대부분의 처리 구성 요소는 백팩 안에 들어 있다. 'Mo-DBRS Lite'라고 하는 무게가 1파운드 정도 나가는 더 가벼운 버전도 사용할 준비가 되었다고 팀은 설명했지만, 동기화시 효율성이 감소하고 뇌에서 읽기가 더 지연된다는 문제가 있다.

개념 증명으로서 Mo-DIBS는 이미 NeuroPace 시스템이 이식된 7명의 지원자에게 테스트되었다. 한 사람은 벽걸이 표지판을 보기 위해 방을 쉽게 걸어 다니면서 눈, 뇌 활동 및 기타 바이오 마커를 장애없이 추적했다. VR의 구성 요소를 추가하면 미로를 탐색하는 고전적인 기억 실험을 완전히 재현할 수 있다. 이번에는 설치류가 아닌 과학자들이 인간의 뇌에서 직접 기록하고 있으며 이러한 신호를 방해하고 기억을 가지고 놀 수 있다.

Mo-DBRS는 NeuroPace를 사용하여 구축되었지만 플랫폼은 기존의 다른 신경 임플란트와 통합될 수 있다고 팀은 말했다. 전체 소프트웨어 코드는 연구자들이 협업하고 확장할 수 있도록 오픈 소스이다.

Suthana는“참가자들의 움직임이 제한되어 있기 때문에 신경과학에서 이전에는 할 수 없었던 질문을 시작할 수 있는 플랫폼에 많은 잠재력이 있다. 우리는 신경 자극을 포함하는 새로운 치료법을 탐구하고 이러한 유형의 치료에 관여하는 신경 메커니즘을 시작할 수 있다."라고 말했다.


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