머스크와 뉴럴링크의 브레인칩에 대해 궁금한 것들

세계최대 부호 일론 머스크가 지난 1일(현지시각) 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 회사인 뉴럴링크의 쇼앤텔 2022 행사에서 장차 인간에게 심어져 사용될 뇌 무선신호 입출력 플랫폼인 뉴럴링크칩 ‘N1’과 이를 뇌에 심는 로봇인 ‘R1’에 대해 소개했다. 이 회사는 장차 시각 장애인과 척추부상 신체마비 장애인이 시력과 신경을 회복하게 될 것이라는 비전을 제시하며 이를 뒷받침하는 동물실험 기반의 기술 성과도 함께 소개했다. 이날 머스크와 뉴럴링크 팀은 뇌에 칩을 심은 원숭이가 생각만으로 컴퓨터와 인터페이스해 핑퐁게임을 하는 것은 물론 재빨리 자판을 움직이는 것을 보여줘 연구상 진전을 과시했다. 머스크와 그의 회사는 5년 전부터 뉴럴링크 칩을 연구해 왔다. 이 회사가 이날 연구 인재를 뽑는 채용행사에서 소개한 뉴럴링크의 BCI 기능 업데이트 내용과 연구 현황 및 비전을 소개한다. 뉴럴링크는 어떻게 뇌칩을 사용해 시각 장애인의 시각을 회복하고 하지마비 장애인을 고칠 수 있다고 하는지도 알아봤다. 이날 머스크는 당초 2020년 말, 2021년 말로 자신했다가 계속 늦어지는 뇌이식칩 개발 성과 지연을 의식한 듯 “6개월 후에는 인간에게 탑재할 수 있다”며 자신의 뇌칩 실험 성공을 재확인하기도 했다.

칩이식해 생각만으로 컴퓨팅···장차 시각 장애인 시력, 신체마비 장애인의 신경 회복

원숭이 ‘사케(Sake)’는 자신의 뇌 임플란트를 사용해 아주 빠르고 능속하게 마우스포인터를 조작할 수 있게 됐다. (사진=뉴럴링크)
원숭이 ‘사케’가 얼마나 빠르고 정확하게 자신이 타이핑할 수 있는지 보여주고 있다. (사진=뉴럴링크)

이날 뉴럴링크는 원숭이의 새로운 텔레파시 타이핑, 새로운 칩 이식 수술 로봇, 시각장애인의 시력 회복 및 하반신 마비 장애인의 움직임과 감각 회복을 위한 초기 연구 상의 진전 상황을 포함, BCI와 관련한 드문 업데이트를 제공했다.

라이브 스트리밍된 이날 시연 행사에서 이 회사 공동 창업자 일론 머스크와 뉴럴링크 팀은 사케(Sake)로 불리는 뇌칩 이식 원숭이가 이 임플란트를 사용해 생각하는 대로 재빠르고 정확하게 스크린상의 마우스 포인터를 조작하고, 연구원들이 지정한 단어와 문구를 정확히 판독해 강조 표시된 글자와 단어를 클릭하는 새로운 비디오 영상을 보여주었다.

머스크는 지난해 뇌칩을 이식한 원숭이가 생각만으로 컴퓨터와 통신해 ‘퐁’ 게임을 할 수 있었다고 밝혔고 이날 이 장면을 또다시 보여주었다. 하지만 이날 뉴럴링크는 여기서 한단계 더 나아가 원숭이가 텔레파시 타이핑을 하는 것까지 실현해 보여준 것이다.

이어 뉴럴링크는 척수장애로 몸이 마비된 사람들이 이 칩을 뇌에 심고 텔레파시로 기기를 작동하고 시각 장애인의 시력을 회복하겠다고 비전을 밝혔다. 또한 척수장애인의 마비도 고치겠다며 그 방식과 원리를 최근의 기술상 진전 성과와 함께 소개했다. 뇌칩 N1과 R1로봇을 먼저 살펴보고, 이어 척수 부상으로 인한 하지 마비 장애인과 시각장애인의 시력 회복을 위한 뉴럴링크의 아이디어와 연구 진전 내용을 알아본다.

뇌칩 N1으로 1024개 양방향 통신채널 확보···R1으로 칩이식

뉴럴링크는 어떻게 비정상적으로 작고, 믿을 수 없을 만큼 강한 높은 정밀성을 가지는 바늘들을 만들어 낼 수 있는지 알아냈다. (사진=뉴럴링크)

미화 25센트 동전보다 약간 큰 ‘N1’ 임플란트는 이식 받는 사람의 두개골 덩어리를 대체하도록 설계돼 피부 아래에 보이지 않도록 심어진다.

이 칩은 충전을 포함해 완전한 무선통신 기능을 갖추고 있으며, 64개의 작고 유연한 나사산 프로브(탐침)를 정확한 뇌 조직 지점에 삽입함으로써 뇌와 칩 사이에서 1,024개의 양방향 채널 통신을 가능케 한다.

연구팀은 이 장치를 이식하는 데 사용하는 ‘R1’ 수술 로봇도 소개했다.

DJ 서 임플랜트 담당 부사장은 “이 로봇은 몇 개의 혈액세포 크기에 불과한 나사산으로 혈관 구조를 피하면서도 움직이는 뇌에 안정적으로 삽입할 수 있다. R1은 이를 꽤 능숙하고 안정적으로 한다”고 말했다.

서 부사장은 로봇이 특정 뇌 부위를 겨냥한 뒤 교묘하게 작은 탐침을 잡아 시연용 마네킹의 끈적한 ‘뇌 대체물’에 끼우는 능력을 보여주면서 “뇌 이식 탐침 삽입 전 과정이 15분 정도 걸릴 것”이라고 말했다. 이 임플란트는 탈부착이 가능하고 업그레이드도 된다.

척수손상 마비 환자들이 디지털 통신하게 된다

전체 뉴럴링크 임플랜트는 피부아래 보이지 않게 자리하게 될 것이다. (사진=뉴럴링크)

서 부사장은 “‘N1’과 ‘R1’이라는 이 장치를 이용한 우리의 초기 목표는 완전한 척수 손상으로 인한 마비 장애인이 부상을 당하기 전보다 더 낫지는 않더라도 부상 전 수준 정도까지 기기를 사용할 수 있도록 함으로써 디지털 자유를 되찾을 수 있도록 돕는 것이다”라고 말했다.

그는 “지난 1년 동안 이것이 회사의 중심적인 초점이었고, 우리는 작업을 해왔다. 우리는 미국에서 첫 번째 인간 대상 임상 실험을 시작하기 위해 미식품의약청(FDA)과 매우 긴밀히 협력하고 있으며 향후 6개월 안에 이 승인을 받을 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.

임플랜트는 어떻게 뇌에 심어지나?

크리스킨 오다바시안 하드웨어 삽입 팀 리더는 뉴럴링크의 임플란트가 뇌에 심어지는 과정을 설명했다.

뉴럴링크는 R1 로봇이 실제 뇌에 대한 모든 바늘 작업을 수행하도록 하는 동안 한명의 신경외과의사가 피부, 두개골, 경막 보호 및 기타 기계적 작업등을 처리하면서 여러 가지 수술을 한번에 수행하게 해 줄 것으로 기대하고 있다.

그녀는 “이를 손으로 하는 것은 매우 어려울 것이다. 머리에서 머리카락을 떼어 비닐랩으로 덮인 컵젤리에 꽂으려고 한다고 상상해 보라. 그리고 이것을 정확한 깊이와 위치까지 수행하고, 합당한 시간 내에 64번 수행한다. 신경외과 의사에게 이렇게 하라고 부탁한다면 아마 별로 좋아하지 않을 것이다···이걸 할 신경외과 의사들은 그렇게 많지도 않다. 아마 100만 명당 10명 정도일 거다. 신경외과 의사를 훈련시키는 데는 10년 이상이 걸린다. 그리고 그들은 일반적으로 매우 바쁘고, 여러분이 상상할 수 있듯이 그들의 시간은 매우 비싸다. 그래서 우리가 가장 좋은 일을 하고, 저렴하고 접근하기 쉬운 시술을 하기 위해서는 한 명의 신경외과 의사가 동시에 여러 시술을 감독할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 미친 소리처럼 들릴지 모르지만, 아마도 라식이 일반적이 되기 전에 레이저 눈수술도 그랬을 것이다”라고 말했다.

고도로 자동화된 정밀한 두개골 절단 장치 개발중

최초의 뉴럴링크 임플랜트는 1024개 통신채널을 허용한다. 다음에는 1만6000개의 통신 채널을 갖게 될 것이다. (사진=뉴럴링크)

뉴럴링크는 로봇을 이용해 라식처럼 가장 어려운 부분만 먼저 수행하되, 서서히 능력을 확장해 결국 고도로 자동화하는 모델이 되기를 바라고 있다.

그래서 뉴럴링크 팀은 뇌를 손상시키지 않고 정밀한 두개골 절단을 할 수 있는 컴퓨터수치제어(CNC)공작기계 스타일의 자동 절단 기계를 개발하고 있다.

연구팀은 또한 R1 로봇이 탐침을 심는 동안 팀이 뇌의 보호 경막층에서 손 뗄 수 있게 해 줄 새로운 표피 아래 영상 기술을 연구하고 있다.

이것은 많은 문제들을 해결해 줄 수 있는데, 특히 경막층이 제거되면 살이 올라와 구멍을 채워 뇌표면에 달라붙는 경향이 있다는 점은 나중에 조직 손상없이 임플란트를 제거하기 어렵게 만들기 때문이다.

어떻게 뇌조직을 노출시키지 않고 뇌에 임플랜트를 삽입하나

R1 로봇은 15분 만에 64개의 바늘을 ‘브레인 대체물(brain proxy)’(마네킹 뇌)에 삽입하는 실시간 시연을 했다. (사진=뉴럴링크)
R1 로봇은 혈관 구조를 피하면서 빠르고 정확하게 전극 바늘을 뇌 조직에 삽입할 수 있다. (사진=뉴럴링크)

뇌조직을 전혀 노출시키지 않고 가장 두껍고 질긴 두개골 바로 아래에 있는 경막층(dura layer)을 뚫고 뇌 임플란트를 삽입하기 위해서는 나노급 나사산 센서를 뇌에 밀어넣는 바늘에 대한 철저한 손질이 필요하다.

뉴럴링크의 바늘 설계 및 제조 팀은 사람의 머리카락보다 훨씬 얇고 질긴 섬유성 경막을 통과할 수 있는 새로운 나사산을 발명한 것은 물론 기계상의 한계에도 불구하고 이를 넘어 신속하고 정확하게 제조하는 놀라운 업적을 이뤘다.

샘 슈미츠 바늘 제조 및 디자인 팀 리더는 “의외도 아닌 것이, 기계의 핸드북에는 이런 종류의 것을 다루지 않는다. 우리는 펨토(1펨토=1000조 분의 1)초 레이저 수술 절제의 과학을 파고 들었고, 우리의 레이저 기계를 CNC기계와 매우 비슷하게 사용할 수 있는 워크플로우를 알아냈다. 이는 우리가 새로운 설계로 한 시간 이내에 다시 반복할 수 있게 해 준다. 그 결과 평가 테스트에서 총 3mm에 이르는 9개의 경막층을 뚫고 바늘을 삽입하는 성과를 확인할 수 있었다. 이것은 우리가 인간에게서 발견할 수 있는 것보다 훨씬 더 많은 것이다”라고 설명했다.

시각장애인 시력 회복을 꾀한다

시각 피질 자극은 태어날 때부터 시각장애를 가진 장애인들에게 희미하고 조잡한 시력이나마 줄 수 있다. (사진=뉴럴링크)

뉴럴링크 팀은 단순히 신체가 마비된 사람들이 이 칩을 뇌에 심고 텔레파시로 디지털기기를 작동하도록 하는 것을 넘어 또하나 생각하는 것이 있다. 그것은 바로 시각 장애인의 시력 회복이다.

이날 일론 머스크는 “많은 경우 사람들은 생물학이나 뇌가 어떻게 작동하는지 전혀 모르기 때문에 뉴럴링크에서 실제로 일할 수 없다고 생각한다”며 “우리가 여기서 정말 강조하고 싶은 것은 뉴럴링크를 작동시키는 데 필요한 기술을 분해하면 실제로 스마트워치나 현대의 전화를 작동시키는 데 필요한 기술 중 많은 것들이기 때문에 그럴 필요가 없다”고 참여자들에게 말했다.

사실 오늘날 뇌의 시각 피질은 비교적 잘 이해되고 있으며, 뉴럴링크의 장비는 눈이 보이는 사람의 시각 피질에서 일어나는 것을 읽을 수 있는 것은 물론 정보를 피질로 직접 보낼 수 있을 만큼 충분히 깊이 전극을 삽입할 수 있다.

이는 결국 이론상으로는 이 장치가 카메라로부터 신호를 받고, 직접 뇌피질을 자극함으로써 완전히 시각 장애인으로 태어난 사람이 초보적인 저해상도의 시각을 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 시각은 장비가 개선됨에 따라 개선될 수 있다.

뉴럴링크의 임플란트 담당 DJ 서 부사장은 이 칩이 무선통신과 충전을 할 수 있을 것이라고 언급하며 최신 기기를 자랑했다. 그는 또한 텍사스 오스틴에서 제조 및 테스트 클리닉이 설치되고 있다는 점을 언급하며 그 수술이 어떻게 보일 수 있는지 시연했다.

뇌칩 이식한 원숭이 이용한 시각 장애인 시력 회복 연구 진전

임플란트에 의해 생성된 시각적 신호를 결정하기 위해 원숭이의 시선을 추적한 것이 그의 시각적 경험에 나타났다. (사진=뉴럴링크)

뉴럴링크팀은 이 분야에서 어느 정도 성과를 거뒀다.

팀은 칩을 이식받은 원숭이들이 소량의 바나나 스무디 대신에 번쩍이는 빛의 방향으로 시선을 움직이도록 훈련시킨 다음 실제 번쩍이는 빛을 뉴럴링크 임플란트를 통해 전송되는 뇌 신호로 대체하기 시작했다.

그 결과 원숭이들은 뇌 이식칩이 목표로 한 정확한 지점을 마치 진짜 번쩍이는 빛이 있는 것처럼 훑어봤다.

이는 완전히 새로운 성과는 아니다. 하지만 뉴럴링크 팀은 시각장애인들이 보게 해 줄 것으로 기대하는 두뇌 칩 디스플레이가 될 첫 번째 픽셀을 만드는데 성공했다는 의미를 갖는다.

최종 목표는 하지 마비환자 운동기능 회복···돼지로 가능성 확인

뉴럴링크는 마비된 사람들에게 움직임과 감각을 회복시키기를 희망하면서 척추뼈 주위의 운동과 감각 신호를 변경해 재배치하는 야심찬 목표를 세웠다.(사진=뉴럴링크)
연구팀은 뇌의 움직임 의도를 해독한 후 돼지 근육의 움직임을 자극하기 시작했다. (사진=뉴럴링크)

다음 목표는 훨씬 더 야심차다. 즉, 하지 마비 환자의 운동 기능을 회복하는 것이다.

뉴럴링크는 뇌로부터의 운동 명령을 읽기 위해 자사의 임플랜트를 사용하고, 그런 다음 그 명령메시지를 심각한 척수부상 주변에서 근육으로 바로 전달할 수 있도록 하부(lower) 운동 뉴런으로 경로를 변경한다.

간단히 말해 뇌이식 칩을 통해 뇌가 생각한 운동명령을 몸속의 자극과 흥분을 전달하는 신경세포체인 뉴런으로 전달해 운동신경을 자극하는 것이다.

이미 뉴럴링크 팀은 이를 향한 목표에 약간의 진전을 이루었다. 팀은 이 장치를 돼지의 뇌와 척수에 이식해 어떤 뇌 활동 패턴이 운동 의도 신호를 보내 하부 척수에서 어떤 패턴의 전기활동 패턴이 발생하는지 해독하기 시작했다.

연구원들은 특정한 움직임과 관련된 패턴들을 식별할 수 있었고, 또한 그들 중 일부를 복제해 재현할 수 있었다. 예를 들어 척수를 직접 자극해 돼지의 다리를 들어 올리게 하는 근육을 수축되게 유발할 수 있었다.

그 팀은 단지 운동근육 신호만을 목표로 하는 것이 아니라, 메시지 경로를 반대방향으로 재설정해 뇌로 다시 전달함으로써 감각을 회복하기를 원한다. 이것은 감각 피질에 추가적인 삽입물을 필요로 할 것이다.

조셉 오도허티 뉴럴링크 차세대 책임자는 “이 두 개의 고리를 합치면 우리는 뇌에서 해독돼 척추를 자극해 움직임을 일으키는데 사용된 운동근육의 의도를 갖게 된다. 이어 그런 행동의 감각적 결과가 척수에 기록돼 뇌를 자극해 지각을 일으킨다. 이제 우리는 이 완전한 비전을 달성하기 위해 해야 할 많은 일이 있다. 하지만 나는 여러분이 이를 달성하기 위한 모든 조각들이 어떻게 거기에 있는지 볼 수 있기를 바란다”고 말했다.

뉴럴링크, “인간 뇌 이식 6개월내 이뤄진다”

뉴럴링크는 6개월내 인간의 뇌에 이 임플란트가 심어질 것이라고 말했다.

그러나 이 칩이 대량 생산돼 더 넓은 시장에 출시되기 전에, 규제 승인이 필요하다. 미국 식품의약청(FDA)는 지난해 지난해 5월 BCI 장치에 대한 기관의 초기 생각을 보여주는 논문을 발표하면서 이 분야가 “급진하고 있다”고 지적했다.

머스크는 1일 뉴럴링크가 FDA에 서류 ‘대부분’을 제출했으며 6개월 안에 인간에 대한 검사를 시작할 수 있다고 말했다.

뉴럴링크의 핵심 아이디어는 수많은 윤리적, 사회 정치적 질문을 제기한다.

이 회사는 실험 과정에서 원숭이 한 마리가 죽었다는 것을 인정했다. 그러나 지지자들은 그러한 장치들이 예를 들어, 절단 수술을 받은 사람들과 장애인들이 손을 사용하거나 볼 수 있는 능력을 잃는다면 삶을 변화시키는 도움을 준다고 말한다.

과연 이단아 일론머스크와 뉴럴링크가 SF 속의 상상을 현실로 이루게 될지 지켜 볼 일이다.

이재구 기자

jklee@tech42.co.kr
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