신경 임플란트 덕분에 마음 읽기는 더 이상 공상 과학 소설이 아니다.

 

내가 이 문장을 쓸 때, 전극 배열이 있는 작은 칩이 내 뇌에 앉아 내 손이 키보드를 가로질러 춤을 추면서 내 뉴런이 발사되는 소리를 들을 수 있다. 그런 다음 정교한 알고리즘이 이러한 전기 신호를 실시간으로 디코딩 할 수 있다. 손가락을 계획하고 움직이기 위한 뇌의 내면 언어는 로봇 손이 같은 일을 하도록 안내하는 데 사용될 수 있다.

 

하지만 이름에서 알 수 있듯이 가장 진보된 신경 임플란트조차도 문제가 있다. 임플란트이다. 전극이 뇌의 전기적 채터를 안정적으로 판독하려면 보호막을 통해 뇌 조직을 관통해야 한다. 시간이 지남에 따라 감염 위험은 제쳐 두고 전극 주변에 손상이 축적되어 신호가 왜곡되거나 심지어 사용할 수 없게 된다.

 

이제 Caltech의 연구원들은 신체적 접촉없이 뇌를 읽을 수 있는 방법을 마련했다. 그들의 장치의 핵심은 뇌의 활동을 포착하기 위해 음파를 사용하는 기능성 초음파라는 비교적 새로운 신경 과학의 슈퍼 스타이다.

 

원숭이의 경우 이 기술은 움직임을 해독하는 데 필요한 일반적인 긴 훈련 과정 없이 단 한 번의 시도만으로 눈의 움직임과 손짓을 안정적으로 예측할 수 있다. 인간이 채택한다면, 새로운 마인드 리딩 기술은 최소한의 수술과 최소한의 학습이 필요하지만 뇌 해독을 위한 최대 해상도를 제공한다. 마비된 사람들에게는 보철물을 제어하는 ​​방식의 패러다임 전환이 될 수 있다.

 

연구 저자인 Sumner Norman 박사는“우리는 초음파 신경 영상의 한계를 뛰어 넘었고 움직임을 예측할 수 있다는 사실에 감격했다.”고 말했다.

 

참여하지 않은 스탠포드의 Krishna Shenoy 박사에게 이 연구는 마침내 초음파를 뇌-기계 인터페이스 기술로 지도에 올릴 것이다. 이 툴킷에 추가하는 것은 훌륭하다.”고 그는 말했다.

 

 

 

사운드 장벽 깨기

 

소리를 사용하여 뇌 활동을 해독하는 것은 터무니없는 것처럼 보일 수 있지만 초음파는 의학에서 꽤 많이 사용되었다. 임신 중 태아의 사진을 찍는 가장 일반적인 용도에 대해 들어 보셨을 것이다. 이 기술은 초음파 펄스를 체내로 방출하고 되돌아오는 음파를 분석하여 조직 구조의 경계를 찾는 변환기를 사용한다.

 

대략 10년 전에 신경 과학자들은 뇌 스캔 기술을 적용할 수 있다는 것을 깨달았다. 뇌의 전기적 채터링을 직접 측정하는 대신 프록시인 혈류를 살펴본다. 특정 뇌 영역이나 회로가 활성화되면 뇌는 훨씬 더 많은 에너지를 필요로 하며, 이는 혈류 증가에 의해 제공된다. 이러한 방식으로 기능성 초음파는 기능적 MRI와 유사하게 작동하지만 훨씬 더 높은 해상도 (약 10배)에서 작동한다고 저자는 말했다. 또한 사람들은 값 비싼 밀실 공포증 자석 속에 가만히 누워있을 필요가 없다.

 

“이 작업의 핵심 질문은 다음과 같다. 공간 및 시간이 지남에 따라 뇌의 혈류 역학에 대한 고해상도 이미지를 제공하는 기능 초음파와 같은 기술이 있다면 해당 이미지에서 행동에 대해 유용한 정보를 해독하기에 충분한 정보가 있을까?”라고 연구 저자인 Mikhail Shapiro 박사는 말했다.

 

의심의 여지가 많이 있다. 블록의 새로운 아이로서 기능성 초음파에는 몇 가지 알려진 단점이 있다. 중요한 것: 그것은 전극보다 훨씬 적은 직접적인 신호를 제공한다. 이전 연구에 따르면 여러 측정을 통해 뇌 활동에 대한 대략적인 그림을 제공할 수 있다. 하지만 로봇 보철물을 안내하기에 충분한 세부 사항일까?

 

 

 

단일 시행 불가사이

 

새로운 연구는 기능성 초음파를 궁극적인 테스트에 넣었다. 원숭이의 움직임 의도를 안정적으로 감지할 수 있을까? 그들의 뇌는 우리와 가장 유사하기 때문에 붉은 털 원숭이 원숭이는 뇌-기계 인터페이스 기술이 인간에게 적용되기 전에 종종 중요한 단계이다.

 

연구팀은 먼저 작은 초음파 변환기를 두 붉은 털 원숭이의 두개골에 삽입했다. 강렬하게 들리지만 수술은 뇌나 보호막을 관통하지 않는다. 두개골에만 있다. 전극과 비교할 때 이것은 뇌 자체가 신체적으로 손상되지 않는다는 것을 의미한다.

 

이 장치는 컴퓨터에 연결되어 음파의 방향을 제어하고 뇌의 신호를 캡처한다. 이 연구를 위해 팀은 움직임을 계획하는 뇌의 "운동"측면의 일부인 후 두정엽 피질에 맥박을 겨냥했다. 지금이 페이지를 아래로 스크롤 할 생각이라면 손가락이 실제로 움직임을 수행하기 전에 이미 활성화된 뇌 영역이다.

 

그런 다음 테스트가 왔다. 첫 번째는 눈의 움직임을 살펴보았다. 여기 저기 넘어지지 않고 실제 신체 움직임을 계획하기 전에 꽤 필요한 것이다. 여기서 원숭이들은 컴퓨터 화면의 중앙 점에 집중하는 법을 배웠다. 두 번째 점 (왼쪽 또는 오른쪽)이 깜박인다. 원숭이의 임무는 가장 최근의 점에 눈을 깜박이는 것이었다. 우리에게는 쉬운 것처럼 보이지만 정교한 두뇌 계산이 필요하다.

 

두 번째 작업은 더 간단했다. 원숭이는 두 번째 목표점으로 눈을 움직이기보다는 조이스틱을 잡고 조작하여 커서를 해당 목표로 이동하는 방법을 배웠다.

 

 

두뇌 영상을 사용하여 마음을 해독하고 움직임을 제어한다. 이미지: S. Norman, Caltech

 

원숭이가 배운 것처럼 장치도 마찬가지였다. 두뇌 활동을 캡처하는 초음파 데이터는 원숭이의 의도를 추측하기 위해 정교한 기계 학습 알고리즘에 입력되었다. 키커는 다음과 같다. 단 한 번의 시도에서 얻은 데이터를 사용하여 훈련을 마치면 알고리즘은 대략 78%의 정확도로 원숭이의 실제 눈 움직임 (왼쪽이든 오른쪽이든)을 정확하게 예측할 수 있었다. 조이스틱을 정확하게 조종하기위한 정확도는 거의 90%로 훨씬 더 높았다.

 

그것은 엄청나게 정확하고 마인드 컨트롤 보철에 매우 많이 필요하다. 마음으로 제어되는 커서나 팔다리를 사용하는 경우 마지막으로 원하는 것은 실제로 웹 버튼을 클릭하거나 문 손잡이를 잡거나 로봇 다리를 움직이기 전에 움직임을 여러 번 상상해야 하는 것이다.

 

더욱 인상적인 것은 해상도이다. 음파는 어디에나 있는 것처럼 보이지만 집속 초음파를 사용하면 100미크론의 해상도 (뇌의 약 10개 뉴런)에서 뇌 활동을 측정할 수 있다.

 

 

 

사이보그 미래?

 

당신의 마음을 해킹하기 위해 음파로 당신의 뇌를 폭발시키는 과학자들에 대해 걱정하기 시작하기 전에, 걱정하지 말라. 새로운 기술은 여전히 ​​두개골 수술이 필요하다. 즉, 작은 두개골 덩어리를 제거해야 한다. 그러나 뇌 자체는 보호된다. 이것은 전극에 비해 초음파가 현재 가능한 어떤 것보다 손상이 적고 잠재적으로 훨씬 더 긴 마음 읽기를 제공할 수 있음을 의미한다.

 

단점이 있다. 집속 초음파는 전극 기반 신경 임플란트보다 훨씬 더 젊고 아직 360도 움직임이나 미세한 손가락 움직임을 안정적으로 디코딩 할 수 없다. 현재 이 기술은 장치를 컴퓨터에 연결하기위한 와이어가 필요하며, 이는 많은 사람들에게 불쾌감을 주고 널리 채택되는 것을 막을 것이다. 여기에 약 2초 정도 전기 기록보다 뒤쳐지는 집속 초음파의 본질적인 단점이 있다.

 

그러나 이 기술은 마음과 기계가 원활하게 연결되는 미래로 나아가고 있다. 초음파는 뇌 활동을 영상화하고 해독하는 데 필요한 해상도가 아직 아니지만 두개골을 관통할 수 있다. 팀은 이미 두개골 조각을 제거해야 했던 외상성 뇌 손상을 입은 인간 자원 봉사자들과 협력하여 초음파가 마음을 읽는 데 얼마나 잘 작동하는지 확인하고 있다.

 

“가장 흥미로운 것은 기능성 초음파가 엄청난 잠재력을 가진 젊은 기술이라는 것이다. 이것은 더 많은 사람들에게 고성능의 덜 침습적인 뇌-기계 인터페이스를 제공하는 첫 단계에 불과하다.”고 Norman은 말했다.