미국 뇌신경과학 스타트업인 뉴럴링크(Neuralink)는 2021년 원숭이 뇌에 비디오게임을 할 수 있는 컴퓨터 칩을 이식했다고 밝혔다. 원숭이가 생각만으로 비디오게임을 제어할 수 있도록 하기 위함이다.

2023년 중국 난카이대는 원숭이 목에 있는 경정맥에 스텐트를 삽입해 생각만으로 로봇 팔을 조정하는 실험에 성공했다고 주장했다. 관련 동영상을 공개하며 '세계 최초'라는 설명을 곁들였다.

중국 뇌과학연구소에 따르면 2024년 손의 묶인 원숭이가 생각만으로 로봇팔을 조정해 물건을 집는데 성공했다. 동물을 대상으로 실험하는 단계이며 인간에 적용은 하지 않았다.

이처럼 다수 스타트업이 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 개발해 인간의 인지능력을 증강시키려는 노력이 활발하게 전개하고 있다. 장애인을 지원하는 등 다양한 응용영역이 있기 때문이다.

◇ 한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단의 임무 소개

한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단은 2010년 설립됐다. 국방 연구개발 제도개선, 국방 연구개발 과제화/연구지원, 군에 과학기술 지원 등의 임무를 수행하고 있다.

더불어 안보⸱재난안전기술단 소속 미래국방국가기술전략센터는 2022년 만들어졌다. '국방과학기술 혁신을 위한 국가 연구개발 투자전략 싱크탱크'로 비전을 설정했다.

주요 임무는 △과학기술정보통신부의 국방 연구개발(R&D) 투자정책 수립 지원 △국방적용 가능 민간R&D 역량 발굴-과제기획 △국방R&D 민관군 협력기반 마련 등이다.

이번에 소개할 기술은 KIST의뇌과학연구소뇌질환극복연구단 김정진 선임연구원(jeongjin@kist.re.kr)이 수행한 '극한 상황에서 의사결정 정확도 증진 기술'이다.

◇ 연구 목표... 회로 모사 모델링을 기반해 인간 혹은 로봇 적용 가능한 의사결정 증진 기술 개발

김정진 선임연구원은 위협적 감각 교란 상황에서의 의사 결정 관련 뇌활성 기전을 이해하고 회로 모사 모델링을 기반해 인간 혹은 로봇 적용 가능한 의사결정 증진 기술을 개발했다.

전시 및 재해 등의 위협적 상황에서는 단일 감각 자극을 기반한 의사 결정보다는 복합적 감각 자극을 빠른 시간에 처리하여 생존에 유리한 의사결정을 내리는 것이 필수적이다.

이에 기반한 뇌활성 기전을 이해하고 이들 신경 활성 및 뇌회로를 모사한 시뮬레이션 모델을 제안해 이를 장기적으로는 의사 결정 증진 기술로 확대하고자 한다.

◇ 연구배경 및 필요성... 극한 상황의 의사결정 정확도를 높이고 성공 전략을 수립하면 생존 가능성 상승

극한 상황에서 사람들은 급변하는 상황을 인지하고 정확한 전략 수립 및 빠른 의사 결정 상황에 자주 노출된다. 따라서 극한 상황에서 정확한 의사 결정 능력은 생존에 필수적이기에 무엇보다 중요한 뇌기능이라 할 수 있다.

하지만 각종 위험 물질, 예상 밖의 적의 공격 및 스트레스가 혼재돼 여러 가지 감각 신호가 동시에 들어오는 상황에서 평정심을 갖고 정확한 의사결정을 하기란 결코 쉽지 않은 일이다.

극한 상황의 의사결정을 위해 동물 및 인간의 뇌가 작동하는 방식을 이해하고 이들 뇌작동 방식을 강화시킬 수 있는 뇌자극 기술을 개발할 수 있다면 극한 상황의 결정 정확도를 높이고 성공 전략을 수립하는데 도움을 줄 수 있을 것이라 기대된다. 

의사결정 과정은 감각 인지 및 통합, 판단이라는 복잡한 단계의 고등 인지 기능이고 극한 상황이라는 환경 변수까지 더해진 의사결정 과정에 관한 뇌기전 연구는 턱없이 부족한 실정이다.

이를 극복하기 위해 의사 결정 관련 뇌회로 발굴 및 세포/국소 수준의 뇌신호 패턴 추출하고 피드백 뇌자극 기술 개발이 우선 요구된다.

또한 인간에서 효능 검증이 가능하도록 극한 상황의 의사 결정 시뮬레이션 행동 모델을 개발하고 궁극적으로 인간 적용이 가능한 의사 결정 정확도 증진 뇌자극 기술을 제안해야 한다.

극한 상황에서 인간의 의사 결정 증진 기술에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 인간 대신 극한 상황에 투입되는 로봇의 효율적 의사결정 시스템에도 활용될 수 있을 것이라 기대된다.

◇ 연구내용 및 결과... 의사결정 정확도 및 반응 속도 결정 인자 규명위한 모델링 중

기존 신경과학적 연구들은 단일 감각을 처리하는 기전 연구에 좀 더 집중돼 있다. 복합적 감각을 동시에 처리하고 통합하는 뇌기능의 이해가 필수적이나 기전 및 관련 모델링 연구가 부족하다.

이를 극복하기 위해서 복합 감각 처리를 해야 하는 행동 모델을 구현하고 2가지의 이상의 감각 신호를 기반으로 한 의사 결정 전후로 관여하는 뇌활성 패턴을 추출해 의사결정 정확도 및 반응 속도 결정 인자 규명위한 모델링 및 관련 뇌신호 라이브러리를 구축 중이다.

관련 논문과 특허를 준비 중이다. 추후 이 시뮬레이션 모델을 기반으로 피드백 뇌자극 기술로 확장하고자 한다.

▲ 의사 결정 관련 뇌활성 추출 및 시뮬레이션 모델 구축 [출처=한국과학기술연구원]
◇ 뇌과학연구소의 구성과 임무 소개

△뇌질환극복연구단 : 다양한 난치성 뇌질환 극복을 위한 신규 타겟 발굴, 치료기전 규명 연구 및 치료기술(진단/예방/치료제)을 개발

· 뇌질환 (치매, 자폐, 파킨슨 등) 발병 원인 규명
· 뇌질환 치료기전 검증
· 뇌질환 신규 타겟 발굴
· 뇌질환 치료제 개발
· in vitro/in vivo 효능 검증 시스템 확립 및 최적화
· 뇌질환 동물 모델 개발

△뇌융합기술연구단 : 뇌의 정보 처리 구조와 원리 규명을 위한 뇌기능 측정, 조절, 모사 기술 & 뇌질환 체외 진단 기술을 포함하는 다양한 툴을 개발

· 신경 신호측정․자극용 반도체
· 인공시각 및 신경공학
· 정신질환 및 모니터링용 멀티모달센서-심화인공 신경망 융합 플랫폼
· 인간 뇌 모사 브레인 칩 개발
· 3D 뇌신경망 조칙 칩 & 뇌질환 진단 플랫폼
· 3D 인공세포막 구조물 제작 및 기능 모사

△뇌기능연구단 : 뇌 내의 분자, 세포, 회로 수준의 기능 규명 및 이를 통한 뇌 질환의 병인 기전과 치료 타겟을 발굴하여 진단기술 및 치료기술의 원천기술을 확보

· 이온채널 기능 연구
· 선조체 기능 및 후성유전 메커니즘 연구
· 신경줄기세포-엑소좀 및 뇌면역 반응 조절
· 해마 신경망을 통한 기억과 학습의 기전규명 연구
· 인공 망막에서 생성된 신호의 시각적 유효성 평가
· 운동 및 인지 기능 관련 신경 세포 활성 및 신호 전달 조절

- 계속 -