21세 때 총상을 입고 나서 목 아래로 마비가 된 에릭 소르토(Erik G. Sorto)는 이제 단지 로봇 팔을 생각하고 자신의 상상력만으로 이 로봇 팔을 움직일 수 있다.
이러한 성과는 미국의 캘리포니아 공대(Caltech), 서던 캘리포니아 대(USC: University of Southern California)의 켁크 의대(Keck Medicine), 란쵸 로스 아미고스 국립 재활 센터(Rancho Los Amigos National Rehabilitation Center) 등의 연구자들이 임상적 협업을 통하여 달성되었다. 이제 34세인 에릭 소르토는 팔을 움직이고자 하는 의도를 생성하는 기능을 가진 뇌 영역에 이식된 신경 보철 장치를 가지는 세계 최초의 인간이다.
이러한 신경 보철 장치의 이식을 통하여 에릭 소르토는 로봇 팔을 이용하여 부드러운 손 흔들기 동작을 수행하거나, 음료수를 마시거나, 심지어 로봇 팔로 가위 바위 보 놀이를 수행할 수 있다.
기존의 신경 보철 장치는 뇌에서 운동을 관장하는 운동 피질(motor cortex: 대뇌 반구에서 중심구 앞쪽에 있는 신피질 영역으로 수의적 근육 운동을 통제함.)에 이식되어 마비 환자가 로봇 팔의 동작을 제어할 수 있게 한다. 그러나 운동 피질에 이식된 기존의 신경 보철 장치가 만드는 동작은 지연이 있고 덜컥거린다. 그래서 기존의 신경 보철 장치로는 자연스러운 동작과 연관되는 부드럽고 겉보기에 자동으로 수행되는 몸짓을 달성하지 못했다.
이제 캘리포니아 공대 연구자들은 신경 보철 장치를 직접적으로 동작을 제어하는 뇌의 운동 피질이 아닌 움직이려는 의도를 제어하는 뇌의 다른 부분에 이식하여 좀 더 자연스럽고 부드러운 동작을 만드는 방법을 개발하였다.
이 새로운 접근법이 가지는 안전성과 유효성을 시험하기 위하여 캘리포니아 공대의 신경과학 교수인 리차드 안데르센(Richard Andersen), 서던 캘리포니아 대의 신경외과, 신경학 및 의용 생체공학 교수이자 신경과 의사인 찰스 리우(Charles Y. Liu), 란쵸 로스 아미고스 국립 재활 센터의 최고 의료 책임자이자 신경학자인 민디 아이센(Mindy Aisen) 등은 협력하여 임상 시험을 수행하였다.
리차드 안데르센과 그의 동료 연구자들은 뇌의 운동 피질이 아닌 뇌의 다른 영역에서 신호를 수집하여 신경 보철 장치가 환자에게 제공할 수 있는 동작의 다재다능함을 개선할 수 있기를 원하였다. 뇌의 다른 영역은 다름이 아닌 후방 두정엽(PPC: posterior parietal cortex)으로 높은 수준의 인지를 담당하는 영역이다.
리차드 안데르센 교수 연구팀은 이전에 수행한 동물 연구에서 동작을 만드는 초기 의도가 형성되는 곳이 후방 두정엽(PPC)이라는 것을 발견하였다. 다음으로 이러한 의도는 운동 피질로 전달되며, 척수(spinal cord)를 통하여 실제 동작이 수행되는 팔과 다리로 전달된다. "후방 두정엽(PPC)은 이러한 신호 전달 경로에서 좀 더 앞서있다. 따라서 이곳의 신호는 운동 실행에 대한 상세한 내용보다는 당신이 실제로 무엇을 의도하였는가와 같은 운동 계획(motion planning)과 좀 더 연관되어 있다”고 리차드 안데르센 교수가 말했다.
“당신은 팔을 움직일 때 실제로 어떠한 근육을 활성화할지에 대하여 생각하지 않는다. 예를 들어 당신이 컵을 잡는 경우 팔 올리기, 팔 내밀기, 컵 잡기, 컵 주위를 손으로 감싸기 등과 같은 세세한 동작을 생각하지 않는다. 대신에 당신은 예를 들어 ‘나는 물이 담긴 저 컵을 잡고 싶다’ 등과 같이 동작의 목표를 생각한다. 그래서 우리는 임상 시험에서 피험자에게 수많은 요소들로 분해하는 대신에 단순히 전체적으로 동작을 상상하라고 요구함으로써 실제 의도를 성공적으로 해독할 수 있었다. 후방 두정엽(PPC)에서 오는 신호가 환자들이 사용하기에 더 쉽고, 궁극적으로 동작 절차를 좀 더 부드럽게 만들 것으로 우리는 기대한다”고 리차드 안데르센 교수가 설명하였다.
리차드 안데르센 교수 연구팀이 개발한 장치는 서던 캘리포니아 대(USC: University of Southern California)의 켁크 병원(Keck Hospital)에서 2013년 4월에 에릭 소르토에게 외과적으로 이식되었다. 에릭 소르토는 이식된 이후로 마음으로 컴퓨터의 커서(cursor)와 로봇 팔을 제어하기 위하여 캘리포니아 공대의 연구자와 란쵸 로스 아미고스 국립 재활 센터의 직원들과 함께 훈련을 수행해오고 있다. 마침내 연구자들은 로봇 팔의 직관적 운동이라는 자신들의 희망을 목격하게 되었다.
아이가 둘 있는 홀아비이며, 지난 10년 동안 마비된 상태로 살고 있는 에릭 소르토는 빠른 결과에 아주 흥분했다. “나는 로봇 팔을 제어하는 것이 얼마나 쉬운지를 깨닫고 놀랐다. 나는 이 순간을 마치 유체이탈을 경험한 것처럼 기억한다. 그리고 나는 주위를 막 돌아다니면서 모든 사람들과 기쁨의 표시로 서로 손바닥을 마주치는 하이파이브를 하고 싶었다”고 에릭 소르토가 말했다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
