뇌에 칩을 꽂는 BCI?
침습적 BCI에 대해 알아보자
3줄 요약
뉴럴링크는 2019년에 쥐의 뇌에 3072개 전극을 삽입할 수 있게 한 BCI system 논문을 발표했어. (이전보다 훨씬 커진 전극 규모야! 5년이 지난 현재는 100만개까지 규모를 확대할 계획을 갖고 있어.)
뉴럴링크의 이 시스템은 probe와 insertion robot, ASIC으로 이뤄져 있어. 각 파트에서 어떤 요소들을 신경썼는지 보면, 앞으로 무엇을 해결해가야 할지도 알 수 있어.
현재 침습적 BCI 분야의 연구 과제로는 1) 적절한 전극 재료, 2) 이식 방법, 3) 충전 방법, 4) 데이터 송수신 대역 폭, 5) 신호 해석, 6) 뇌의 미세 진동에 따른 보정, 칩 교체 방법 등이 있어. 이들은 앞으로 도장깨기하듯 알아가볼 예정이야! :D
들어가는 말
오늘은 침습적 BCI에 대해 알아보려고 해. ‘침습적’이라는 뜻 그대로, 뇌에 직접 전극 등을 삽입하여 신호를 얻는 BCI 방식이야. EEG, fMRI 등 비침습적인 방법에 비해 환자의 부담이 크고, 감염/조직 손상 위험이 있다는 단점이 있어. 그렇지만 훨신 해상도가 높고, 노이즈가 적은 데이터를 얻을 수 있다는 장점이 있지. 측정 장비가 필요한 비침습적 방법에 비해 장기적으로 신호를 얻기에 유리하기도 해. 때문에 좀 더 정밀한 제어와 통신이 가능해져.
일론 머스크가 발표한 논문
그렇다면 침습적 BCI는 과연 어떻게 만들어지는지 궁금하지 않니? 오늘은 뉴럴 링크에서 2019년에 발표한 ‘An Integrated Brain-Machine Interface Platform With Thousands of Channels’라는 논문을 통해 방법과 구성 요소 등을 알아보자. 이 논문은 침습적 BCI 연구의 초창기에 나온 논문으로, 가장 먼저 큰 그림을 그리기에 가장 적합하다고 생각해서 가져왔어.
이 논문은 쥐의 뇌에 3072개 전극을 심어 특정 영역에서 대규모 신호를 얻을 수 있게 한 방법을 소개하고 있어. 이전에도 뇌에 전극을 심어 생각으로 컴퓨터 커서를 움직이거나 로봇 팔을 제어해보려는 연구는 있었지만, 최대 256개 전극을 활용하는 데에 그쳤었어. 이 논문의 핵심은 1) 면역 반응과 조직 손상을 줄일 수 있는 고밀도 probe 설계, 2) 정확하고 빠른 삽입을 위한 로봇 개발, 3) 쉽게 구성 단위들의 교체가 가능하고, 전기를 적게 사용하며, 실시간으로 많은 데이터를 송수신할 수 있게 한 electronics에 대한 설명이야. 각 요소에 대해 조금 더 자세히 살펴보고, 침습적 BCI 연구에서 중요하게 다뤄지고 있는 연구 과제에 대해서도 알아보자.
Thread
먼저 Thread야. thread는 32개의 전극이 붙어 있는 가느다란 실처럼 생겼어. 표면은 높은 내열성, 전기 절연성 등의 특징을 가져 디스플레이 등에 많이 쓰이는 poly imide로 만들었어. 조직 손상을 줄이려면 크기를 작게 하는 게 핵심이라, 폭이 5-50um 이고, 길이가 20mm 이하, 즉 머리카락보다도 훨씬 가늘게 만들었어. 전극의 표면이 아주 작아졌기 때문에 높은 impedance를 가진 재료로 표면을 코팅해 신호 감도를 높여야 했는데, 이를 위해 PEDOT:PSS와 IrOx라는 두가지 재료를 사용했다고 해.
Insertion robot
두번째는 전극을 삽입하는 로봇이야. 기존 방법은 오류가 나거나 혈관 손상을 일으키는 경우가 잦았고, 속도가 느려 실용적이지 못했어. 또 조직 손상을 줄이기 위해 잘 구부러지는(young’s modulus가 낮은) 재료로 thread를 만들었기 때문에, 적절하게 뇌의 피질을 뚫고 삽입할 수 있는 방법도 필요해. 때문에 뉴럴링크 팀은 삽입 로봇을 만들었어.
로봇은 needle-pincher 모듈과 light module 등으로 이뤄져 있어. needle-pincher module은 thread를 직접 조직에 삽입하는 needle과 옆에서 이를 돕는 pincher로 구성되어 있어. light module은 3가지 서로 다른 파장의 빛을 사용하는 light module과 stereoscopic camera로 이뤄져 있어. 각 파장대 별로 용도가 다르다고 해.
Electronics
마지막으로 ASIC(Application-specific integrated circuit)이야. 칩마다 256개의 analog pixel, on-chip analog-to-digital converter가 있어. 특징은 23x18.5x2mm^3 안에 3072개 채널을 담을 수 있을 정도로 밀도 높은 설계가 가능하다는 점이야. 또 USB-C 케이블을 통해 최대 10비트로 19.3kHZ sampling rate 속도로 데이터를 전달할 수 있어. modular 디자인으로 만들어졌기 때문에 analog pixel 별로 구조를 변경해서 갈아끼우기에도 용이해.
뉴럴링크가 꿈꾸는 미래
어때? 침습적 BCI에 대해 좀 더 구체적인 그림이 그려지지 않아? 이건 2019년도 논문이었는데, 아쉽게도 그 이후에 뉴럴링크에서 직접 발표한 논문은 없어. 다만 neuralink youtube 채널에 올라오는 live update를 통해 대략적인 소식을 알 수 있어. 올해 7월에는 두번째로 뉴럴링크 칩을 이식한 ‘인간’ 환자를 소개하며, 무리없이 커서 움직임 게임과 문명6 게임을 플레이했다는 얘기를 전했고, 2026년까지 1000명 이상의 환자에게 뉴럴링크 칩을 이식할 거라는 계획(혹은 포부?)도 밝혔어. 2019년에 쥐를 대상으로 3000여개 전극을 심었는데, 인간을 대상으로 100만개 전극을 삽입해 정말로 ‘생각을 읽는’ 수준의 BCI를 구현하는 게 목표라는 말도 했어. 아직 실현된 미래는 아니지만, 5년 사이에 3000여개에서 100만개라니, 발전 속도가 참 빠르지 않니? 가끔 깜짝깜짝 놀라.
침습적 BCI의 연구 과제
앞서 살펴본 논문을 통해 침습적 BCI 분야에는 어떤 연구 과제가 있는지 생각해볼 수 있어.
먼저, 전극의 재료야. 전극이 피질 내에 삽입되면, 그 과정에서 피질에 손상을 주기도 하고, 주변 신경 세포와 면역 세포가 죽어 결과적으로 전극이 신호를 얻을 수 없게 되는 ‘glial scarring’ 현상이 일어나기도 해. 면역 반응이 일어날 수도 있고, 전극이 부식될 수도 있지. 이런 조직 반응, 생체 친화성 등을 고려해서 적합한 생체 재료를 찾는 게 중요해.
두번째로는 적절한 이식 방법이야. 앞에서도 잠깐 나온 것처럼, 부작용을 줄이기 위해서는 전극을 작게, 또 잘 휘어지게 만드는 게 필요해. 하지만 그럴 경우 삽입하기 어렵다는 문제가 생기지. 전극이 조직을 뚫고 적절히 이식되려면 어느 정도의 강도가 필요하거든. 또 원하는 위치에 어떻게 빠르게 이식할 건지도 중요한 문제야.
세번째는 충전 문제야. 위의 연구에서는 USB-C 케이블이 바깥으로 노출되도록 설계되었지만, 인간에게서도 그게 가능할지는 미지수야. 뇌는 감염에 매우 취약하기 때문에 Brain-blood-barrier라는 매우 깐깐한 장벽을 설치해 이물질들을 걸러내는데, 뇌 내부가 외부와 통할 수 있게 하는 건 감염 측면에서도 넘어야 할 벽이 많아. 만약 칩이 완전히 뇌 안에 위치하도록 할 경우, 충전을 어떻게 할지에 대한 고민도 필요해.
네번째는, 어떻게 외부와 데이터 송수신을 할지야. 전극의 수가 늘어나는 만큼 많은 양의 데이터를 실시간으로 전송해 처리하는 건 중요해져. 칩을 만드는 CMOS와 MEMS 과정에서는 크기를 일정 수준 이하로 유지하는 게 필요한데, 그렇다고 전극을 마냥 작게 만들 수는 없어. 전극이 작아질 수록 노이즈에 취약해지고 신호를 잘 얻기 힘들어지거든. 어떻게 fan-in/out을 높일 건지에 대해서는 많은 연구가 이뤄지고 있는데, 이에 대해서는 차차 얘기해볼게.
다섯번째는, 신호 해석에 대한 부분이야. 얻은 신호를 적절히 잘 처리해서 유의미한 제어, 치료 효과를 얻을 수 있어야 해. 이 부분에서 가장 큰 걸림돌은 바로 전극 주위의 환경이 계속 변한다는 거야. automatic calibration이나 domain adaptation이라는 방법을 통해 변화에 맞춰 정확한 판단을 내리도록 하는 연구가 진행 중이야.
그 외에도 neuralink의 live update에 따르면 뇌가 계속 움직여서 생기는 오차나 변동을 어떻게 보정할지, 또 만약 칩을 upgrade 해야 할 일이 생긴다면 어떻게 교체할지 등이 고민이라고 해.
끝으로
흥미롭지 않아? (나만 그런가�)
다음 번부터는 침습적 BCI의 연구 과제들에 대해 하나씩 도장깨기하듯 알아가볼게. 첫번째 도장깨기 주제는 침습적 BCI 구조의 다양한 설계 방법이야. 재미있는 논문과 정보로 다시 찾아올게! 다음번에 만나 �
