인간-인간의 뇌 인터페이스로 동료의 동작을 최초로 제어

미국 워싱턴 대(University of Washington) 연구진은 최초로 비침습적인 인간-인간의 뇌 인터페이스 실험을 수행하였다고 믿고 있다. 이 실험에서 한 연구자는 동료 연구자의 손동작을 제어하기 위하여 인터넷으로 뇌 신호를 보낼 수 있었다. 

라제시 라오(Rajesh Rao) 교수는 워싱턴 대 캠퍼스의 다른 쪽에 위치한 안드레아 스토코(Andrea Stocco) 연구조교수에게 전기적인 뇌 활동 기록 및 자기력을 이용한 자극의 형태로 뇌의 신호를 보내서 안드레아 스토코 연구조교수의 손가락이 자판 위에서 움직이도록 하였다. 

비록 미국 듀크 대(Duke University)의 연구진이 두 마리의 쥐 사이에 뇌-뇌 통신을 시연하였고, 미국 하버드 대(Harvard University)의 연구진은 인간-쥐 사이의 통신을 시연하였지만, 라제시 라오 교수와 안드레아 스토코 연구조교수는 이것이 인간-인간 사이의 뇌 인터페이스에 대한 최초의 시연이라고 믿는다. "인터넷은 여러 컴퓨터를 연결하는 방법이고, 이제 여러 사람의 뇌를 연결하는 방법이 될 수 있다. 우리는 한 사람의 뇌에서 지식을 취하여 이를 다른 사람의 뇌에 직접적으로 전달하기를 원한다"고 안드레아 스토코 연구조교수가 말했다. 

연구진은 양쪽 실험실에서 녹화된 동영상에서 완전한 시연을 포착하였으며, 짧게 편집한 동영상을 공개하였다( http://www.youtube.com/watch?v=rNRDc714W5I). 이 동영상과 고해상도 사진은 연구진 웹사이트에서 얻을 수 있다. 

워싱턴 대 컴퓨터 과학 및 공학과 교수인 라제시 라오는 10년 이상 뇌-컴퓨터 인터페이스를 연구하고 있으며, 이 주제에 대하여 막 교과서를 출판하였다. 2011년에 그는 이 기술 분야의 빠른 발전에 자극되어 인간의 뇌-뇌 인터페이스 개념을 시현할 수 있다고 믿었다. 그래서 워싱턴 대의 학습 및 뇌 과학 연구소(Institute for Learning & Brain Sciences)에서 심리학 분야 연구조교수로 있는 안드레아 스토코와 제휴하였다. 

2013년 8월 12일에 라제시 라오 교수는 자신의 연구실에서 의자에 앉아 뇌파 전위 기록술(electroencephalography)에 접속된 전극을 가진 모자를 착용하였다. 안드레아 스토코 연구조교수는 캠퍼스 건너편에 있는 자신의 연구실에서 손동작을 제어하는 기능을 가진 뇌의 왼쪽 운동피질(motor cortex) 바로 위에 위치하도록 경두개 자기 자극 코일(transcranial magnetic stimulation coil)을 가지는 보라색 수영모자를 착용하였다. 이 둘은 스카이프(Skype) 연결이 설정되어서 두 연구실은 연동되었지만, 각각은 스카이프 화면을 볼 수 없다. 

라제시 라오 교수는 컴퓨터 화면을 보면서 마음이 가는 대로 간단한 비디오 게임을 하였다. 그는 표적에 대포를 발사할 때, 자신의 오른손을 움직여서 커서가 `발사` 버튼을 누르는 상상을 하였다. 이때 실제로 오른손이 움직이지 않도록 주의하였다. 

거의 즉각적으로 잡음제어 귀마개를 하고 컴퓨터 화면을 보지 않고 있던 안드레아 스토코 연구조교수는 무의식적으로 마치 대포를 발사하는 것처럼 자신의 앞에 있는 키보드의 스페이스바를 누르기 위하여 오른손의 집게손가락을 움직였다. 안드레아 스토코 연구조교수는 자신의 손이 무의식적으로 움직이는 느낌을 신경성 안면 경련(nervous tic)이 있어났을 때의 느낌과 견주었다. 

"내 두뇌에서 상상한 행동이 다른 사람의 뇌에 의하여 실제 행동으로 전환되는 것을 보는 것은 흥미진진하면서도 섬뜩한 것이었다. 이것은 기본적으로 나의 뇌에서 다른 사람의 뇌로 가는 정보의 일 방향 흐름이었다. 다음 단계 목표는 두 사람의 뇌 사이에 좀 더 공평한 양방향 대화를 직접적으로 가지도록 하는 것"이라고 라제시 라오 교수가 말했다. 

연구자들이 뇌의 활동을 기록하고, 자극하는데 사용되는 기술은 모두 잘 알려져 있다. 뇌파 전위 기록술(EEG: Electroencephalography, 두피에 전극을 붙여 뇌의 전기적 활동을 기록하는 검사)은 임상의와 연구자들이 두피로부터 비침습적으로 뇌의 활동을 기록하기 위하여 일상적으로 사용하는 것이다. 

경두개 자기 자극(transcranial magnetic stimulation)은 반응을 끌어내기 위하여 뇌에 자극을 전달하는 비침습적인 방법이다. 그 효과는 코일이 어디에 배치되는가에 의존한다. 이번 실험에서 이 코일은 사람의 오른손을 제어하는 뇌의 영역 바로 위에 직접 배치되었다. 자기 자극(magnetic stimulation)은 이 위치의 뉴런을 활성화하여 뇌에게 오른손을 움직일 필요가 있다고 납득시켰다. 

컴퓨터 과학 및 공학과 대학생인 매튜 브라이언(Matthew Bryan), 브라이언 드주나에디(Bryan Djunaedi), 조셉 우(Joseph Wu), 알렉스 다드가(Alex Dadgar)와 생명공학과 대학원생인 데브 사르마(Dev Sarma) 등이 이 프로젝트를 위하여 컴퓨터 프로그램을 작성하였으며, 라제시 라오 교수의 뇌 신호를 안드레아 스토코 연구조교수의 뇌를 위한 명령으로 변환하였다. 

"뇌-컴퓨터 인터페이스는 오랫동안 사람들이 이야기해 온 주제이다. 우리는 한 사람의 뇌를 이제까지 연구한 것 중 가장 복잡한 컴퓨터에 연결한 것이다. 그것은 바로 다른 사람의 뇌"라고 워싱턴 대의 학습 및 뇌 과학 연구소(Institute for Learning & Brain Sciences)에서 심리학과 조교수이며, 안드레아 스토코 연구조교수의 아내이자, 이 실험의 수행을 도운 동료 연구자인 찬텔 프랫(Chantel Prat)이 말했다. 

언뜻 보기에 이 획기적인 성과는 모든 종류의 공상 과학 시나리오를 상기시킨다. 안드레아 스토코 연구조교수는 농담조로 이 기술을 `발칸인의 정신 융합(Vulcan mind meld: 스타트렉에 등장하는 외계 종족인 발칸인이 특히 제한된 텔레파시의 형태로 다른 발칸인과 생각, 경험, 기억, 지식 등을 공유하는 기법)`에 견주었다. 그러나 라제시 라오 교수는 이 기술이 한 사람의 생각이 아닌 단지 특정한 종류의 간단한 뇌 신호를 읽을 수 있을 뿐이라고 주의 깊게 이야기하였다. 이 기술은 당신의 의지에 반하여 당신의 행동을 통제하도록 하는 기술이 아니다. 

두 연구자는 고도의 전문 장비를 착용하고, 이상적인 조건에서 연구실에 있었다. 또한, 이들은 실험을 수행하는 데 있어 인간 대상 시험에 대한 엄격한 국제적인 규칙을 획득하고, 따라야 했다. "일부 사람들은 이 기술을 과대평가하기 때문에 불안해 할 수 있다. 그러나 우리가 가진 기술은 다른 사람이 알아채지 못하거나 그들의 의지에 반하여 사용되는 것이 불가능하다"고 찬텔 프랫 조교수가 말했다. 

안드레아 스토코 연구조교수는 미래에 이 기술이 예를 들어 민간 비행기의 조종사가 조종을 못하게 되었을 때 지상에 있는 누군가가 비행기의 승무원이나 승객이 비행기를 착륙시키도록 돕는데 사용될 수 있을 것이라 예측했다. 또는 장애인이 음식이나 물처럼 자신이 원하는 것을 의사소통하도록 도울 수 있다. 한 사람에서 다른 사람으로 가는 뇌 신호는 심지어 서로 다른 언어를 사용하는 사람들 사이에 작동할 수 있다. 

라제시 라오 교수와 안드레아 스토코 연구조교수는 다음 단계로 좀 더 복잡한 정보를 한 사람의 뇌에서 다른 사람의 뇌로 전달하는 실험을 수행할 것이다. 만약 성공한다면, 이들은 더 많은 피험자들을 대상으로 실험을 수행할 계획이다. 

이 연구는 워싱턴 대에 위치한 국립과학재단 감각운동 신경공학 연구센터 (National Science Foundation’s Engineering Research Center for Sensorimotor Neural Engineering), 미 육군 연구 사무소(U.S. Army Research Office )와 미국 국립보건원(National Institutes of Health) 등에 의하여 부분적으로 자금을 지원받았다.