뇌-컴퓨터 인터페이스 발전으로 의수 제어 정밀도 향상

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레서스 원숭이 연구에서 독일 영장류 센터 신경과학자들은 뇌-컴퓨터 인터페이스 기능과 그에 따른 신경보철의 미세 운동 기술을 어떻게 개선할 수 있는지 조사했다. (이미지: Andres Agudelo-Toro)

독일 영장류 센터(Leibniz 영장류 연구소) 연구진이 레서스 원숭이 연구에서 뇌-컴퓨터 인터페이스를 위한 새로운 훈련 프로토콜을 개발했다. 이 방법은 뇌 신호만으로 의수를 정밀하게 제어할 수 있게 한다. 연구진은 뇌에서 다른 손 자세를 제어하는 신경 신호가 이 제어에 주로 중요하며, 이전에 가정했던 움직임 속도 제어 신호가 아님을 보였다. 이 결과는 마비 환자에게 일부 또는 전체 이동성을 되돌려줄 신경 손 보철의 미세 제어 개선에 필수적이다.

쇼핑백 들기, 바늘귀에 실 꿰기 — 힘과 정밀 그립은 일상생활의 일부다. 우리는 척수 마비나 ALS 같은 점진적 근육 마비 질환으로 손을 쓸 수 없을 때야 비로소 손의 중요성을 깨닫는다.

환자를 돕기 위해 과학자들은 수십 년간 신경보철을 연구해 왔다. 이 인공 손, 팔, 다리는 장애인에게 이동성을 되돌려줄 수 있다. 손상된 신경 연결은 뇌-컴퓨터 인터페이스를 통해 뇌 신호를 해독하고 움직임으로 변환하여 보철을 제어한다. 그러나 지금까지 손 보철은 일상생활에 사용할 만큼 필요한 미세 운동 기술이 부족했다.

"보철이 얼마나 잘 작동하는지는 이를 제어하는 컴퓨터 인터페이스가 읽는 신경 데이터에 주로 달려 있습니다."라고 독일 영장류 센터 신경생물학 연구실 과학자이자 연구 제1 저자인 Andres Agudelo-Toro는 말했다. "이전 팔과 손 움직임 연구는 쥐는 움직임의 속도를 제어하는 신호에 초점을 맞췄습니다. 우리는 손 자세를 나타내는 신경 신호가 신경보철 제어에 더 적합한지 알아보고 싶었습니다."

연구진은 레서스 원숭이(Macaca mulatta)와 함께 연구했다. 인간처럼 고도로 발달된 신경계와 시각계, 뚜렷한 미세 운동 기술을 가지고 있어 쥐기 움직임 연구에 특히 적합하다.

주 실험 준비로 과학자들은 두 마리의 레서스 원숭이를 훈련해 화면의 가상 아바타 손을 움직이게 했다. 이 훈련 단계에서 원숭이는 자신의 손으로 손 움직임을 수행하면서 동시에 화면의 가상 손의 해당 움직임을 보았다. 원숭이가 작업 중 착용한 자기 센서 장갑이 동물의 손 움직임을 기록했다.

원숭이들이 과제를 익히면 다음 단계로 '상상'을 통해 가상 손을 제어하도록 훈련했다. 손 움직임을 구체적으로 제어하는 대뇌 피질 영역의 뉴런 집단 활동이 측정되었다. 연구진은 다른 손과 손가락 자세를 나타내는 신호에 초점을 맞추고, 신경 데이터를 움직임으로 변환하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 알고리즘을 해당 프로토콜로 조정했다.

"기존 프로토콜에서 벗어나 알고리즘을 조정하여 움직임의 목적지뿐만 아니라 어떻게 도달하는지, 즉 실행 경로도 중요하게 만들었습니다."라고 Andres Agudelo-Toro는 설명했다. "이것이 궁극적으로 가장 정확한 결과로 이어졌습니다."

연구진은 아바타 손의 움직임을 이전에 기록한 실제 손 데이터와 비교하여 비교 가능한 정밀도로 실행됨을 보였다.

"우리 연구에서 손 자세를 제어하는 신호가 신경보철 제어에 특히 중요함을 보였습니다."라고 신경생물학 연구실 책임자이자 수석 저자인 Hansjörg Scherberger는 말했다. "이 결과는 이제 미래 뇌-컴퓨터 인터페이스 기능 개선에 사용될 수 있으며, 그에 따라 신경 보철의 미세 운동 기술도 향상시킬 수 있습니다."

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