人間의 動作을 그대로 따라 하면서 싸우는 漫畫 속 巨大 로봇처럼, 멀리 있는 무언가를 생각만으로 操縱할 수 있다는 想像은 누구나 한 番쯤 해봤을 법하다. 單純히 레버를 올리거나 버튼을 누르는 것을 넘어 생각으로 操縱한다면 精巧하면서도 빠른 作動이 可能하다. 다만 이때 생각을 어떻게 物理的 움직임으로 連結할지에 對한 苦悶이 必要하다. 이럴 때 使用하는 信號가 바로 우리에게 익숙한 腦波다. 正確히 무엇을 指稱하는지 잘 알지 못해도 자주 使用하는 單語들이 種種 있는데, 腦波도 그中 하나다. 腦에서 나오는 비밀스러운 信號 程度로 認知되고 있지만, 嚴密히 말하면 腦의 神經細胞 사이에서 信號가 傳達될 때 發生하는 電氣的 흐름이다. 이걸 통해 腦와 機械를 連結하는 試圖는 오래前부터 繼續돼왔다. 하지만 連結된 로봇 팔을 움직이는 程度를 넘어 使用者 意圖를 섬세하게 把握하고 精巧하게 팔 움직임을 操縱하는 技術은 正確度가 그리 높지 않았다. 最近 정재승 KAIST(韓國科學技術院) 敎授 硏究팀은 3次元 空間에서 생각만으로 假想의 로봇 팔을 正確히 操縱하는 腦-機械 인터페이스 시스템을 開發했다.

먼저 操縱 方向에 對한 使用者의 意圖를 把握하는 것이 가장 重要하다. 이를 위해 硏究者들은 使用者의 腦 活動만으로 正確히 어떻게 움직이고 싶은지를 解釋할 수 있는 人工知能 모델을 開發했다. 大腦 深部에서 測定한 腦波는 個人마다 差異가 크고, 微弱한 波動이 뒤섞여 巨大한 電氣的 信號로 나타나기에 正確한 信號를 읽어내기가 매우 어렵다. 이 問題를 解決하고자 個別 腦波 信號의 主要 特性을 人工知能이 自動으로 學習할 수 있게 設計했고, 이를 效率的인 方式으로 活用해 3次元 空間의 24個 方向으로 꽤 正確히 움직일 수 있도록 具現했다. 여기엔 찰스 다윈의 適者生存 理論을 基盤으로 한 計算 모델인 遺傳子 알고리즘度 包含된다. 于先 解釋하고자 하는 腦波에 對한 可能한 結論들을 定해진 形態의 資料 構造로 表現한다. 以後 이를 조금씩 變形해가면서 最適의 結果를 만들어내는 方式을 통해 硏究者들은 腦波만으로 平均 90% 以上 精密度의 움직임을 完成했다.

腦波를 통해 알아낼 수 있는 수많은 情報

旣存에는 工學的 信號 處理를 基盤으로 腦波를 解釋해 로봇 팔을 움직이는 方式이었지만, 이番엔 實際 人間의 腦가 作動하는 構造를 模倣한 人工神經網을 통해 改善된 形態의 인터페이스 시스템을 完成했다. 成功的인 시뮬레이션 結果를 얻었기에 實際 機械的인 로봇 팔을 움직이는 現場에도 當然히 適用할 수 있다. 事故로 팔이나 다리를 잃은 患者, 四肢가 痲痹된 患者가 생각만으로 義手나 義足을 움직이고, 스마트폰이나 휠체어 같은 外部 電子裝備를 쉽게 操縱할 수 있다면 日常에서 廣範圍하게 使用 可能하다는 말이다.

實際로 腦波를 통해 먼 거리에서 컴퓨터나 로봇을 制御하는 方式을 商用化하기 위해서는 高仕樣 하드웨어가 必要하다는 어려움이 있다. 그 代身 腦-機械 인터페이스 시스템을 適用하는 데 最適의 環境이 있는데, 바로 메타버스라는 擴張된 世界다. 假想이나 超越을 의미하는 ‘메타(meta)’와 世界를 의미하는 ‘유니버스(universe)’가 合成된 메타버스는 다양한 플랫폼을 통해 콘텐츠 産業의 새로운 地平을 열고 있지만, 애初 現實과 假想을 連結한다는 核心 本質이 어디까지 維持될 수 있을지에 對한 憂慮도 크다. 이런 狀況에서 萬若 個人의 아바타를 생각만으로 움직이거나 온라인 空間에서 자연스럽게 相互作用할 수 있다면 비로소 메타버스는 眞正한 意味에서 또 다른 내가 存在하는 超越的 世上이 될지 모른다.

腦波를 檢出하는 技術이 漸漸 精密해진다면 이를 통해 慢性疲勞나 憂鬱症 같은 身體的·精神的 狀態 變化에 미리 對備할 수 있고, 癎疾이나 癡呆처럼 深刻한 腦 機能 障礙를 豫測하고 診斷하는 것도 可能하다. 例를 들어 個人이 保有한 腦波의 信號別 特性을 把握한 뒤 旣存에 記錄된 情報와 差異가 發生하면 腦와 關聯된 醫療 診斷을 早期에 簡單히 始作해 더 큰 危險이 到來하기 前 解決할 수 있다는 뜻이다. 얼마 前 나온 硏究 結果에 따르면 睡眠 中 蒐集된 腦波로 未來 健康을 豫測하는 일까지 可能해질 展望이다. 잠자는 동안에는 呼吸이나 心搏數 같은 重要한 生體 信號들을 통해 健康 狀態를 지켜볼 수 있다. 이뿐 아니라, 睡眠 中 腦波 測定을 통해 未來에 發生할지도 모를 神經疾患, 精神疾患, 心血管疾患이나 死亡率까지 알아낼 수 있다는 건 놀라운 일이다. 이제 오랫동안 健康하고 幸福한 生活을 하기 위해 서는 앞으로 睡眠 데이터를 꼼꼼히 모으는 것도 重要해졌다.



腦波를 解釋해 個人의 感性을 認知하는 것도 可能하다. 無意識을 分析해 마케팅에 適用하는 ‘뉴로 마케팅’은 腦 神經細胞를 뜻하는 뉴런(neuron)과 마케팅(marketing)의 合成語로, 使用者 感性에 맞는 맞춤型 製品이나 서비스를 提供한다. 腦波를 통해 測定한 情報를 仔細히 分析해 밖으로 드러내지 않는 消費者의 率直한 마음을 읽어내면 製品 價格이나 디자인에 對한 選好度, 消費 態度를 正確히 把握해 販賣 現場에 適用할 수 있다. 甚至於 腦波를 利用하면 外貌 選好度 關聯 硏究도 可能하다. 或是 選好하는 配偶者를 明確히 區分할 수 없는 狀態라면 腦波를 통해 깊은 內面에 숨어 있는 眞짜 理想型을 發見하게 될 可能性도 있다. 아마도 未來에는 直接 펜을 들거나 키보드를 두드릴 必要 없이 생각만으로 글을 쓰거나 그림을 그릴 수 있을지도 모른다. 사람과 컴퓨터가 어떠한 入力裝置도 없이 오직 생각만으로 想像을 超越할 만큼 빠르게 情報를 交換하게 될 테고, 나아가 사람끼리도 아무 말 없이 생각만으로 對話하는 時代가 열릴 수도 있다.

磁氣場으로 腦 機能 制御하는 硏究 登場

腦에서는 腦波라는 電氣的 信號 外에도 微細한 磁氣場의 變化까지 나타난다. 腦波가 만들어내는 微細한 生體 磁氣場이 腦 속 陽性子를 共鳴시키는 腦波 磁氣共鳴 現象을 測定하면 서로 떨어진 腦 部位의 機能的인 連結 狀態를 視覺化할 수 있다. 最近에는 磁氣場으로 腦 機能을 制御하는 硏究까지 登場했다. 腦波 或은 腦에서 發生하는 磁氣場의 變化를 測定한다는 旣存 硏究의 常識을 뛰어넘어, 反對로 外部에서 磁氣場을 통해 어쩌면 腦를 操縱할 수도 있다는 뜻이다. 이는 아마 映畫 ‘엑스맨’에서 他人의 생각을 操縱하는 프로페서 엑스의 能力과 磁氣場을 制御하며 무시무시한 威力을 뽐내는 매그니토의 能力이 자연스럽게 結合해 現實에 登場한 形態라고 볼 수 있겠다.

철새는 季節에 따라 棲息地를 移動하고, 鰱魚는 成體가 되면 다시 江을 거슬러 올라가 上流에서 알을 낳는다. 이렇게 回歸 本能 있는 動物들은 腦 속에 羅針盤 役割을 하는 自己 受容體가 있다, 이걸 模倣한 나노 羅針盤을 基礎科學硏究院 硏究팀이 開發했다. 이 작은 羅針盤은 磁氣場을 걸면 回轉하는데, 고작 回轉하는 羅針盤으로 무엇을 할 수 있을까.

아마 相當히 生疏한 單語일 텐데, 피에조 이온 채널(piezo ion channel)이라는 게 있다. 이 채널은 物理力에 反應해 門을 열었다 닫았다 하며 流入되는 이온 量을 調節하는데, 이온이 多量으로 들어가면 그만큼 細胞가 活性化된다. 쉽게 말해 內部에서 뭔가로 피에조 이온 채널을 건드리면 特定 細胞가 熱心히 일하도록 만들 수 있다는 뜻이다.

이제 쥐의 右腦에 있는 運動神經細胞에 피에조 이온 채널을 만들고, 바로 이곳에 아까 開發한 나노 羅針盤을 붙인다. 以後 磁氣場 生成 裝置로 쥐가 있는 곳에 磁氣場을 걸었더니 가만히 멈춰 있던 쥐가 갑자기 왼발의 運動神經이 活性化돼 反時計 方向으로 뱅글뱅글 돌기 始作했다. 놀라운 건 이때 쥐의 平均 速度가 一般 쥐의 5倍였다는 點이다.

만드는 方式도 簡單하진 않다. 여기 쓰인 方式이 코로나19 백신 가운데 mRNA 백신을 만드는 데 使用되는 技術이다. 毒感 바이러스인 아데노바이러스에서 그리 좋지 않은 部分을 除去하고, 그 代身 여기에 코로나바이러스의 스파이크 蛋白質을 만드는 遺傳子를 집어넣어 mRNA 백신을 製造하면 成功이다. 그리고 萬若 스파이크 蛋白質을 만드는 遺傳子 代身 피에조 이온 채널을 만드는 遺傳子를 넣는다면, 몸속에 들어간 아데노바이러스는 遺傳子를 解釋해 이番엔 mRNA 백신 代身 피에조 이온 채널을 만든다. 여기에 特需 注射器로 500㎚ 크기의 나노 羅針盤을 붙이면 된다. 磁氣場으로 나노 羅針盤을 돌릴 때도 宏壯히 操心해야 하는데, 回轉力이 너무 크면 細胞나 이온 채널이 損傷될 수 있고, 너무 작으면 이온 채널이 아예 열리지 않을 수도 있기 때문이다. 그만큼 아주 精巧하게 힘을 줘야 하는데, 이걸 해낸 것이다.

腦와 機械 사이에 일어나는 緊密한 連結

結局 쥐 右腦의 채널을 열어 왼발의 運動神經을 活性化하거나, 左腦를 刺戟해 오른발을 活性化한다면 各各 回轉하는 方向이 달라진다는 結果도 確認했다. 過去에는 이런 式으로 腦와 連結된 運動神經細胞의 活性化 程度를 調節하려면 外科的 手術을 통해 작은 칩을 腦에 揷入하거나 光纖維를 連結해 빛으로 命令을 내려야 했다. 하지만 이제는 번거롭고 危險한 節次 없이 簡單하게 運動을 시킨다. 甚至於 磁氣場은 빛보다 人體 浸透力이 높기에 身體 곳곳에 存在하는 이온 채널을 遠隔으로 調節하는 게 可能할 수도 있다. 或은 運動神經細胞 代身 視角細胞나 聽覺細胞 等 다른 細胞로 領域을 넓혀 適用하는 것도 可能하다.

獨逸 物理學者이자 不確定性 原理를 主唱한 베르너 하이젠베르크는 “自然科學이란 自然을 單純히 描寫하고 說明하는 것만이 아니라, 自然과 人間을 잇는 仲介者”라는 말을 남겼다. 理論과 實驗을 基盤으로 하는 科學은 사람과 自然을 이어주고 있으며, 이제 한層 發展된 科學技術은 腦 自體를 世上과 直接 連結하고 있다. 如前히 腦는 未知의 領域이고, 腦波도 끝없이 硏究者들의 好奇心을 刺戟한다. 하지만 그만큼 腦 科學과 關聯된 硏究 範圍도 漸次 넓어지고 있으며, 생각지도 못했던 다양한 活用 方法이 登場한다. 앞으로 다가올 未來가 果然 어떤 모습으로 새로운 世界와 連結될지 기쁜 마음으로 期待하며 기다려보자.

_{軌道는…
연세대 天文宇宙學科 學部 및 大學院을 卒業하고 韓國天文硏究院 宇宙監視센터와 연세대 宇宙飛行制御硏究室에서 勤務했다. ‘軌道’라는 藝名으로 팟캐스트 ‘課長窓’, 유튜브 ‘안될과학’과 ‘투머치사이언스’를 進行 中이며, 著書로는 ‘軌道의 科學 虛勢’가 있다.}