[BCI] 2배 이상 뇌 신호를 감지·전달하는 ‘투명유리 카본전극 칩’ 개발

샌디에고주립대(SDSU), 워싱턴대(U/W), MIT공대, 이태리의 페라대(U/Ferrara) 등으로 구성된 감각운동신경공학센터(The Center for Sensorimotor Neural Engineering, CSNE)는, 척수가 다쳐(damaged spinal cords) 다리를 움직일 수 없는 사람들의 두뇌에 이식할 수 있는 브레인 칩(an implantable brain chip)을 개발해, 두뇌의 신경전기신호(neural electrical signals)를 다리에 전달해 움직이게 하거나, 전기자극(electrical stimulation)을 통해 손상된 신경을 회복할 수 있는 연구를 하고 있다. 

최근에는 보다 안정적이고 영구적이며 보다 강한 뇌 신호를 다리에 보내거나 신경을 강하게 자극할 수 있는 브레인-컴퓨터 인터페이스(BCI, Brain-Computer Interface)의 ‘투명유리 카본 전극(Glassy Carbon Electrodes)’을 개발해, “지속적 신경자극과 저 잡음으로 뇌의 활동을 기록할 수 있는 고안정성의 투명유리 카본 인터페이스(Highly Stable Glassy Carbon Interfaces for Long-Term Neural Stimulation and Low-Noise Recording of Brain Activity)”라는 논문을 발표했다(Vomero et al., Scientific Reports, 13 Jan 2017; Science Daily, 17 Feb 2017).

따라서 척수 손상 후의 움직임을 복원시킬 수 있을 뿐만 아니라 강력한 보족(powered prosthetic limbs)을 만드는데 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

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▲ 감각운동신경공학센터가 개발한 칩 안에 패턴화된 투명유리 카본 전극들. Credit: Sam Kassegne

사람들이 척수를 다치면 다리를 움직일 수 없다. 왜냐하면 그것은 신경신호 프로세싱(neural signal processing)에 문제가 생겼기 때문이다. 두뇌에서는 계속 움직이라는 명확한 전기신호를 보내지만, 척수가 다친 곳에서 신호가 끊어지기 때문이다. 이러한 사람들을 위해 비이식 혹은 이식할 수 있는 브레인-컴퓨터 인터페이스(B-C-I) 기술은 전극을 통해 신경전달물질(neurotransmitters)이라는 두뇌의 화학물질로부터 나오는 뇌의 신호를 기록하고 전달할 수 있다. 어디로 전달하는가 하면 다리의 신경(조직, nerve)이나 혹은 보철 다리에 보내 운동감각과 운동기능을 회복할 수 있다. 

현존하는 전극들은 박막 백금으로(플래티나, thin-film platinum) 만들어져 있다. SDSU의 카세그네(Sam Kassegne) 교수는 “문제는 이들 전극들은 쉽게 파손되고 시간이 지남에 따라 서로 떨어진다는 것이다”라고 말한다. 카세그네 교수와 동료 연구원들은 카본 형태인 투명유리로 전극을 개발했다. 이 투명유리는 거칠한 박막 백금보다 10배 이상 매끄럽기 때문에, 전기 자극(electrical stimulation)에도 부식하지 않고, 백금이나 다른 금속으로 만든 전극들보다 오래 지속된다. 카세그네 교수는 “투명유리 카본은 뇌 신호를 고품질로 많이 잡아낼 수 있다. 잡음대 신호비율(signal-to-noise)을 2배 이상 잡아 낼 수 있다. 따라서 상당히 개선된 명확한 신호와 쉽게 해석할 수 있다”라고 말했다. 

투명유리 카본 전극은 이곳 SDSU에서 조립됐다. 액체 폴리머(a liquid polymer)를 정확한 형태(correct shape)로 패턴화한 뒤, 1000도로 열을 가하면, 전도성의 투명유리가 된다. 이러한 열을 가하고 식히는 과정을 거듭한 후, 뇌 신호를 읽어 다리 신경에 전달 수 있는 칩에 통합시킨다. 이렇게 만든 투명유리 카본 전극의 BCI 를 이용해 대뇌피질 표면에서 나오는 신호와 동시에 뇌 속에 이식해서 뇌 속에서 나오는 신호를 동시에 기록하고 있다. 

SDSU의 다른 연구원인 카스타그놀라(Elisa Castagnola)는 “만약 뇌 속의 깊은 곳을 기록하기 원한다면, 깊게 이식해, 단일 신경세포의 신호까지 기록할 수 있다. 대뇌피질 표면에서는 신경세포들의 클러스터 신호를 기록해, 복잡한 뇌 신호를 보다 잘 이해할 수 있다”라고 말했다. 

카세그네 교수 랩의 박사과정 생인 히라바야시(Mieko Hirabayashi)는 좀 색다른 연구를 하고 있는데, 그녀는 지금 쥐를 대상으로 전기 자극을 시도하고 있다. 쥐의 척수를 자극해 새로운 신경세포가 자라고 있는지 연구하고 있다. 희망은 새로운 신경세포들이 자라고 그 결과 사람의 손상된 척수를 대신하게 하는 것이다.  

 

크기변환_사본-10632695_637493523030856_2757249799481243589_n차원용 소장/교수/MBA/공학박사/미래학자

아스팩미래기술경영연구소(주) 대표, 국가과학기술심의회 ICT융합전문위원회 전문위원, 국토교통부 자율주행차 융복합미래포럼 비즈니스분과 위원, 전자정부 민관협력포럼 위원, 국제미래학회 과학기술위원장