인간의 생각을 기계와 연결하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술의 최대 난관이었던 수술의 침습성 문제가 획기적으로 해결됐다. 홍콩 대학교 및 홍콩의 연관 기관 연구진은 두개골에 4mm 크기의 작은 구멍만으로 고밀도 전극 배열을 뇌 표면 넓은 영역에 이식할 수 있는 최소 침습 수술 기법을 개발했다. 이 연구 결과는 향후 인공지능 의료와 신경과학 분야에 혁명적인 변화를 가져올 것으로 기대된다.
가이드와이어로 펼쳐지는 미래: 21 μm 초박막 전극의 혁신
기존의 뇌-컴퓨터 인터페이스에 필요한 전극 장치는 넓은 두개골 절개술(Craniotomy)을 통한 이식 수술이 필수적이었다. 하지만 새로운 가이드와이어 구동 BCI는 4 mm에서 8 mm 크기의 구멍만을 통해 삽입이 가능하다. 연구진이 개발한 장치는 두께 21 μm의 초박막 전극 배열로, 2cm 정사각형 공간에 256개의 고밀도 전극을 집적했다. 이 초박막 시트는 접어서 작은 구멍을 통해 삽입된 후, 뇌를 덮는 경막 위(Epidural) 최대 4 cm² 영역까지 펼쳐질 수 있다.
수술은 표준 뇌 수술 기구만 사용하여 약 2시간 내에 완료된다. 먼저 두개골에 8 mm 구멍 하나와 4 mm 구멍 세 개가 뚫린다. 접힌 장치를 8 mm 구멍을 통해 삽입하고, 나머지 세 개의 작은 구멍을 통해 장치 모서리에 연결된 가이드 와이어를 빼낸다. 이 와이어를 당기면 장치가 뇌의 경막 위에 정확하게 전개된다. 이 기법은 복잡하고 위험했던 기존의 뇌 수술 과정을 단순화하며, 환자의 회복 속도를 월등히 높이는 의료 혁신이다.
성공적인 신경 신호 분석: BCI 실용화의 문턱을 넘다
연구팀은 비글(Beagle)을 이용한 시범 실험을 통해 이식된 고밀도 전극 배열의 유효성을 입증했다. 개의 청각 피질에 전극 배열을 설치한 후, 100Hz, 1,000Hz, 10,000Hz 등 다양한 주파수의 소리에 노출시켰을 때의 뇌 활동을 정밀하게 기록했다. 신경 신호 분석 결과, 각 소리 높이마다 명확히 다른 신경 활동 패턴이 관찰되었으며, 머신러닝을 이용해 음정을 분석했을 때 80% 이상의 높은 정확도로 들은 소리의 높이를 결정할 수 있었다.
이 기술의 가장 큰 장점은 수술의 침습성을 크게 줄여 합병증 위험을 낮춘다는 점이다. 전통적인 두개골 절개술은 뇌 부종, 염증, 감염 등 위험이 높았지만, 이 새로운 최소 침습 수술 방법은 이러한 위험을 최소화한다. 실험 결과, 수술을 받은 개들은 다음 날에도 정상적인 기능을 수행했으며, MRI 스캔에서도 수술 직후와 2주 후 모두 뇌 구조에 변화가 없음을 확인했다. 이는 인간을 대상으로 한 뇌-컴퓨터 인터페이스 임상 시험의 가능성을 크게 열어준다.
앞으로의 전망
이 최소 침습 수술 기술은 뇌-컴퓨터 인터페이스의 실용화 시기를 앞당기는 결정적인 발판이다. 향후 인공와우를 사용할 수 없는 청각장애인을 위한 새로운 보청기 개발, 생각만으로 기계를 제어하는 BCI 장치, 그리고 간질 발작의 정밀 탐지 및 치료 등 다양한 인공지능 의료 및 신경과학 분야에서 혁명적인 발전을 가져올 전망이다.
