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TECH M

[MIT선정 10대 혁신기술⑨] 뇌 무선연결, 마비환자를 되살리다

10대 혁신 기술

2017-04-24MIT테크놀로지리뷰

혁신성
손상된 신경계를 건너뛰어 뇌와 신체를 무선으로 연결하는 기술

왜 중요한가
매년 수천 명의 마비 환자가 발생하고 있다.

주요 회사들
스위스 로잔연방 공과대학교 / 하버드대 위스생명신경공학센터 / 
피츠버그대학교 / 케이스 웨스턴 리저브 대학교

실용화 시기
10~ 15년 뒤


 

과학자들은 척수손상으로 몸을 움직일 수 없게 된 사람들의 뇌에 이식 장치를 삽입,

다시 몸을 움직일 수 있게 만드는 기술을 크게 발전시키고 있다.

“고 고!” 그레구아르 쿠르틴은 마음 속으로 이 말을 외쳤다. 프랑스의 뇌과학자인 그는 러닝머신의 한 쪽 끝에 웅크린 마카크 원숭이를 지켜보고 있었다. 연구팀은 이 원숭이의 척수 중간을 잘라 오른쪽 다리를 움직이지 못하게 만들었다. 쿠르틴은 이 원숭이가 다시 다리를 움직일 수 있음을 보여주려 한다. 이를 위해 그와 그의 동료들은 원숭이의 뇌 내부, 운동 피질에 신경기록장치를 삽입했고, 칼날 아래쪽 척수에도 전기장치를 연결했다. 두 장치는 무선으로 연결되어 있다.

원숭이의 의도를 읽은 이식 장치는 그 신호를 전기자극으로 바꾸어 척수에 연결된 장치로 전송했다. 곧, 원숭이의 오른쪽 다리가 움직이기 시작했다. 펴고 굽히고, 펴고 굽혔다. 원숭이는 절뚝거리며 앞으로 나아갔다. 
쿠르틴 스위스 로잔연방공대 교수는 “원숭이는 뇌로 생각했고, 마침내 걷기 시작했습니다”라고 말하며 즐겁게 그 순간을 회상했다.

 

“사람들은 자신의 일상의
모습을 회복하고
싶어 합니다. 죽은 팔을
되살리고 싶어 하지요.”

 

최근 실험실의 동물들과 몇몇 사람들은 뇌이식 장치를 이용해 생각으로 컴퓨터의 커서를 움직이거나 로봇 팔을 움직였다. 이제 과학자들은 마비 환자들을 다시 움직일 수 있게 하는 더 큰 목표를 향해 움직이고 있다. 쿠르틴이 ‘신경 우회’라 부르는 뇌의 의도를 읽는 장치와 신체를 자극하는 장치를 무선으로 연결, 생각으로 사람들이 자신의 사지를 움직이게 하는 것이다.

 

실리콘으로 만든 영장류의 뇌 모형에 삽입된 이식장치

 

클리블랜드의 케이스 웨스턴 리저브 대학교에서는 목과 어깨밖에 움직일 수 없는 사지마비 환자가 쿠르틴이 원숭이의 머리에 넣은 것과 같은 종류의 이식장치 두 개를 자신의 뇌에 넣는 실험에 동의했다. 우표보다 작은 크기의, 실리콘으로 만들어진 이 장치는 머리카락 두께의 금속 핀 100개를 이용해 뇌신경의 명령을 ‘듣게’ 된다.

이를 위해 로버트 키르쉬와 볼루 아지보예가 이끄는 케이스 연구팀은 그들의 팔과 손에 16개의 전극을 삽입했다. 실험 영상에서 자원자는 스프링이 들어있는 팔걸이의 도움으로 천천히 팔을 들어 올리고 손을 펴고 쥔다. 그는 심지어 빨대가 든 컵을 들어 자신의 입으로 가져간다. 이 신경우회술 이전에는 어떤 것도 스스로 할 수 없었다.

 

 

하루만 손을 깔고 앉아있어 보라. 척수손상 환자들이 어떤 삶을 사는지 알게 될 것이다. 코를 긁을 수도, 아이의 머리를 쓰다듬을 수도 없다. ‘하지만 이 장치는’ 쿠르틴은 이 말을 하며 붉은 에스프레소 커피잔을 과장된 몸짓으로 들어 자신의 입술로 가져간다.

 

 


“당신의 삶을 바꿀 수 있습니다.”
논문 출간을 앞두고 있는 케이스팀의 연구는 전극을 삽입해 다양한 종류의 감각과 능력을 회복하려는 큰 프로젝트의 일부다. 마비 환자 외에도 과학자들은 소위 신경보철 기술을 이용해 시각장애인의 눈을 대신하는 장치와 알츠하이머 환자에게 기억력을 회복시키는 장치를 연구하고 있다.

이들은 그 기술들이 성공할 수 있다는 것을 알고 있다. 작은 마이크를 이용해 소리를 전기신호로 바꾸고, 손상된 귀를 대신하는 달팽이관 이식장치는 이 기술의 성공적인 예다. 청각장애 아동이 처음으로 엄마의 목소리를 듣고 눈을 크게 뜨는 종류의 영상은 매달 인터넷에서 사람들의 관심을 끈다. 지금까지 이 장치로 소리를 듣게 된 청각 장애자의 수는 25만 명이 넘는다.

그러나 이 신경보철 기술을 마비환자에게 적용하는 것은 더 어려운 일이다. 처음으로 뇌 이식 장치를 이용해 화면의 커서를 움직인 것은 1998년이다. 그러나 이 기술은 물론 다른 어떤 놀라운 뇌 제어기술도 아직 상용화되지 못했다. 이들은 실험실 밖에서 활용하기에는 너무 급진적이거나 너무 복잡한 기술로 남아 있다.

“20년 동안 연구했는데도 아직 임상에 적용되는 것이 없다는 거죠!” 
쿠르틴은 자신의 머리카락을 뒤로 넘기며 한탄했다. 
“우리는 한계를 넘어서기 위해 노력하고 있습니다. 하지만 이 분야에서 실제 제품이 나올 수 있을 지가 정말 중요한 질문입니다.”

쿠르틴의 실험실은 스위스의 억만장자 한스요르그 위스가 1억 달러를 척수우회술과 같은 신경 기술의 장애물을 극복하는 데 사용하라고 기부한 제네바의 둥근 건물에 있다. 이들은 의료기기 제조사와 스위스 시계회사의 전문가들을 고용하고 인체에 적합한 유연한 전극에 금으로 된 도선을 입힐 수 있는 클린룸을 갖고 있다.

이 연구소를 이끄는 사람은 미국에서 뇌 이식장치를 개발한 경험을 갖고 있는 존 도나휴로 2년 전 제네바에 왔다. 그는 상업적으로 가능한 제품을 만들기 위해 연구소 안에 뛰어난 뇌과학자, 숙련된 기술자와 임상의사 등을 모두 모으려 한다.

도나휴의 첫번째 목표는 뇌의 정보를 수집하는 초소형 무선 장치 ‘뉴로콤(neurocomm)’이다. 그는 이를 ‘머릿속 송신기’라며 “세상에서 가장 정교한 뇌 신호 전송장치’라고 설명한다. 성냥갑 크기의 시제품은 인체에 무해한 티타늄으로 만들어져 있으며 사파이어로 된 창을 가지고 있다. 쿠르틴이 자신의 원숭이 실험에 사용한 것은 이보다 큰 초기 버전이다.

도나휴는 이 신경 우회 기술이 복잡한 만큼 진척이 느릴 수밖에 없었지만, 그만큼 환자들이 이를 원하며 따라서 노력할 가치가 있다고 말한다. “아무에게나 자신의 팔을 움직이고 싶으냐고 물어보세요. 사람들은 자신의 일상의 모습을 회복하고 싶어 합니다. 죽은 팔을 되살리고 싶어 하지요.”

 

 

<본 기사는 테크M 제48호(2017년 4월) 기사입니다>