의수 제어 강화:정확한 뇌-컴퓨터 인터페이스 발전

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독일 영장류 센터의 신경과학자들은 붉은 털원숭이를 대상으로 한 연구에서 뇌-컴퓨터 인터페이스의 기능과 신경보철물의 미세한 운동 능력을 어떻게 향상시킬 수 있는지 조사했습니다. (이미지 :안드레스 아구델로-토로)

괴팅겐에 있는 라이프니츠 영장류 연구소(Leibniz Institute for Primate Research)의 독일 영장류 센터 연구원들은 붉은털원숭이를 대상으로 한 연구에서 뇌-컴퓨터 인터페이스를 위한 새로운 훈련 프로토콜을 개발했습니다. 이 방법을 사용하면 뇌의 신호만으로 의수를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 연구자들은 뇌의 다양한 손 자세를 제어하는 ​​신경 신호가 주로 이러한 제어에 중요하며, 이전에 가정했던 것처럼 움직임의 속도를 제어하는 ​​신호가 아니라는 것을 보여줄 수 있었습니다. 이 결과는 마비 환자의 이동성의 일부 또는 전부를 회복시킬 수 있는 신경손 보철물의 미세한 제어를 개선하는 데 필수적입니다.

쇼핑백을 들고, 바늘귀에 실을 꽂는 등 강력하고 정밀한 그립은 우리 일상생활의 일부입니다. 우리는 하반신 마비나 진행성 근육 마비를 유발하는 ALS와 같은 질병으로 인해 손을 더 이상 사용할 수 없을 때만 손이 얼마나 중요한지 깨닫게 됩니다.

환자를 돕기 위해 과학자들은 수십 년 동안 신경보철물을 연구해 왔습니다. 이러한 인공 손, 팔, 다리는 장애인에게 이동성을 제공할 수 있습니다. 손상된 신경 연결은 뇌의 신호를 해독하고 이를 움직임으로 변환하여 보철물을 제어할 수 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스를 통해 연결됩니다. 그러나 지금까지 손 의지는 일상 생활에서 사용하는 데 필요한 미세 운동 능력이 부족했습니다.

이번 연구의 제1저자이자 독일 영장류 센터 신경생물학 연구소의 과학자인 안드레스 아구델로-토로(Andres Agudelo-Toro)는 “보철물이 얼마나 잘 작동하는가는 주로 이를 제어하는 컴퓨터 인터페이스가 읽는 신경 데이터에 달려 있습니다.”라고 말했습니다. "팔과 손 움직임에 대한 이전 연구는 잡는 움직임의 속도를 제어하는 신호에 중점을 두었습니다. 우리는 손 자세를 나타내는 신경 신호가 신경보철물을 제어하는 데 더 적합한지 알아보고 싶었습니다."

연구를 위해 연구자들은 붉은털원숭이(Macaca mulatta)를 대상으로 연구했습니다. 인간과 마찬가지로 그들은 고도로 발달된 신경 및 시각 시스템과 뚜렷한 미세한 운동 능력을 가지고 있습니다. 따라서 잡는 동작을 연구하는 데 특히 적합합니다.

주요 실험을 준비하기 위해 과학자들은 붉은털원숭이 두 마리에게 화면에서 가상 아바타 손을 움직이도록 훈련시켰습니다. 이 훈련 단계에서 원숭이는 자신의 손으로 손 움직임을 수행하는 동시에 화면에서 가상 손의 해당 움직임을 확인했습니다. 작업 중에 원숭이가 착용한 자기 센서가 있는 데이터 장갑이 동물의 손 움직임을 기록했습니다.

원숭이가 작업을 학습한 후 그립을 "상상"하여 다음 단계에서 가상 손을 제어하도록 훈련되었습니다. 특히 손 움직임을 제어하는 ​​역할을 담당하는 피질 뇌 영역의 뉴런 집단의 활동이 측정되었습니다. 연구자들은 다양한 손과 손가락 자세를 나타내는 신호에 초점을 맞추고 해당 프로토콜에서 신경 데이터를 움직임으로 변환하는 뇌-컴퓨터 인터페이스의 알고리즘을 적용했습니다.

Andres Agudelo-Toro는 "전통적인 프로토콜에서 벗어나 움직임의 목적지뿐만 아니라 거기에 도달하는 방법, 즉 실행 경로도 중요하도록 알고리즘을 조정했습니다."라고 설명했습니다. “이것이 궁극적으로 가장 정확한 결과로 이어졌습니다.”

그런 다음 연구자들은 아바타 손의 움직임을 이전에 기록한 실제 손 데이터와 비교하여 이것이 비슷한 정밀도로 실행되었음을 보여줄 수 있었습니다.

“우리 연구에서 우리는 손의 자세를 제어하는 신호가 신경보철물을 제어하는 데 특히 중요하다는 것을 보여줄 수 있었습니다.”라고 신경생물학 연구소 소장이자 해당 연구의 수석 저자인 Hansjörg Scherberger가 말했습니다. "이러한 결과는 이제 미래의 뇌-컴퓨터 인터페이스의 기능을 개선하고 신경 보철물의 미세한 운동 능력을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다."

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