이식형 뇌-기계 인터페이스와 First-in-human studies

뇌-기계 인터페이스

BCI(Brain Computer Interface) 및 BMI(Brain Machine Interface)는 뇌 내 활동을 관찰하고 이를 해독하거나, 해독하여 유용한 정보를 추출하는 신경 기술을 말합니다. BCI와 BMI라는 용어가 혼용되는 경우가 많지만, 커뮤니티 내에서는 비침습적 인터페이스에는 BCI를, 이식형 인터페이스는 BMI를 사용하는 경향이 있습니다.

뇌파검사(EEG), 자기뇌검사(MEG), 두개내 EEG라고도 하는 전기피질검사(ECoG), 피질내 기록, 기능적 자기공명영상(fMRI), 기능적 근적외선 분광법(fNIRS), 양전자방출단층촬영(PET) 등의 방법 중 이식 가능한 방법(예: ECoG, 피질 내 기록)이 훨씬 더 높은 공간 및 시간 해상도와 신호 대 잡음비(SNR)로 인해 비침습적 방법(예: EEG, fNIRS)보다 성능이 우수하다는 것이 널리 받아들여지고 있습니다. 여러 다른 방식(예: 전기, 광학, 자기)을 사용하여 활동을 관찰하는 것이 가능하지만, 전기 기록이 가장 확립되어 있으므로 단기적으로는 새로운 임상 기기로서의 개발에 있어서도 가장 적합합니다.

특히 이식 가능한 BMI의 경우 집적 회로 및 마이크로시스템 기술의 최근 발전으로 인해 저전력, 저잡음 및 소형 기록 전자 장치를 사용하여 신경 활동의 다중 채널(예: 전기 생리학)을 관찰할 수 있습니다. 이를 통해 새로운 도구의 개발 뿐 아니라 BMI를 임상에 적용하는 기술도 개발될 수 있었습니다. 예를 들어, 근위축성 측삭 경화증(ALS) 또는 고정 증후군이 있는 사람들에게 의사 소통을 가능하게 하거나 척수 손상(SCI)을 입은 마비 환자들에게 외부의 인공보철을 컨트롤할 수 있는 수단을 제공하였습니다.

인간에게 최초로 이식 가능한 BMI가 시연된 것은 2004년이었습니다. C3 척추 손상으로 인한 사지마비가 있는 환자의 피질에 MEA (Multi Electrode Array, Utah electrode array라고 주로 알려져 있음)를 이식하였습니다.

Braingate를 통해 임상적용에 대한 개발이 진행되고 있고 움직임 복원 뿐 아니라 커서를 움직이고 필기를 통해 의사 소통을 할 수 있는 보철 응용 프로그램을 계속 개발하고 있습니다. Braingate 컨소시엄(Battelle/Ohio State University, CalTech, Johns Hopkins, Thomas Jefferson University 및 University of Pittsburgh 포함) 및 여러 시험에서 인간 BMI에 Blackrock 장치를 활용하였습니다. 신호 처리, 응용 신경과학 및 임상 검증이 지난 17년간 크게 발전했지만 하드웨어 자체는 Blackrock Microsystems에서 제공하는 NeuroPort와 Utah electrode array를 기반으로 합니다.

유타전극 어레이 (Utah Electrode Array)

Utah electrode array 신경인터페이스는 현재까지 30일 이내의 일시적인 신경활동 모니터링을 위해 인간에 사용할 수 있는 유일한 FDA 510K 승인 피질 전극 array 입니다. 모든 장기적인 임플란트는 각 대학의 FDA 임상시험기기 면제하에 연구에 이용되고 있습니다.

최근 BMI 트렌드는 두가지 주요 방향으로 진행됩니다. 기존 신경 인터페이스의 기술에 대한 성능 최적화와 새로운 기술이 도입된 새 인터페이스의 개발입니다.

그중 Braingate의 발전은 확립된 신경 인터페이스 기술인 유타 전극 어레이를 사용하여 성능을 최적화하고 개선할 수 있는 기회를 보여줍니다. 기본 신경 과학에 초점을 맞추고 정보를 인코딩하기 위한 다양한 개념을 탐색함으로써 여러 응용 프로그램이 사람을 대상으로 한 연구에서 검증되었습니다. 이를 통해 정보 전송 속도, 만성적 신뢰성 및 보정 전략을 비롯한 성능이 크게 향상되었습니다. 새로운 기술 트렌드는 전극 수를 늘리기 위한 공격적인 전략을 실현하고 있습니다. 중앙 집중식 및 분산 아키텍처를 통해 100초 또는 1000초의 녹음 채널에서 신호를 관찰할 수 있는 기술이 제안되고 있습니다. 그러나 더 많은 녹화 채널이 기본 정보 콘텐츠의 증가를 의미하는지 확인하는 것이 중요합니다. 따라서 전극 수율이 핵심 요소가 됩니다. 여기에는 좋은 SNR의 기록 채널만 선택하기 위한 전극 다중화, 생체 적합성을 개선하기 위한 유연한 인터페이스, 정밀 배치를 제공하는 새로운 수술 방식, 대용량 데이터 해석을 위한 새로운 기술이 포함됩니다.

이식형 뇌기계 인터페이스 (BMI)는 이제 주류가 되는 궤도에 있으며, 점차 질병 치료의 초기 단계에 필요한 선택 수단이 될 것입니다. First-in-human (인간 최초) study의 성공은 인간 대뇌피질 활동으로부터 쓰고 말하는 운동기술을 해독하는 능력을 입증했습니다.

이러한 획기적인 연구와 함께 기술 발전으로 중앙집중식/분산형 임플란트 구조에 대한 새로운 개념을 통해 더 많은 신경 활동 채널을 관찰할 수 있게 되었습니다.

이에 대한 좀더 유연한 재료, 생체에 적합한 패키징, 외과적 수술 방법, 대용량 데이터의 처리 성능 향상 등에 대한 연구도 함께 보완되고 있으며, 이제 BMI 상업화를 위한 상당한 투자도 유치되고 있습니다.