뇌-컴퓨터 인터페이스의 돌파구: ALS 환자를 위한 의사소통 복원

근위축성 측삭 경화증(ALS)과 중증 구음 장애를 앓고 있는 45세 남성에게 외과로 이식된 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)가 대화 의사소통을 복원하는 데 놀라운 성공을 거두었다는 BrainGate2 임상시험 결과가 밝혀졌다.

수술 후 25일 만에 사용 첫날, BCI는 50단어 어휘로 99.6%의 놀라운 정확도를 달성했다. 둘째 날에는 125,000단어 사전에 기초한 어휘를 사용하여 90.2%의 정확도에 도달했다고 캘리포니아 데이비스 대학의 데이비드 브랜드먼(David Brandman, MD, PhD)과 그의 동료들이 뉴잉글랜드 의학 저널(New England Journal of Medicine)에 보고했다.

지속적인 데이터 수집 및 교육을 통해 BCI는 이식 후 8.4개월 동안 97.5%의 정확도를 유지했다.

"이 논문은 이제까지 보고된 가장 정확한 언어 신경 보철을 제시한다"고 Brandman은 성명서에서 말했다. "이전의 음성 BCI 시스템은 자주 단어 오류를 일으켜 일관된 의사 소통을 방해했습니다. 우리의 목표는 사용자가 원할 때 언제든지 이해할 수 있는 시스템을 개발하는 것이었습니다."

BrainGate2 연구는 환자의 좌측 복부 전중심이랑에 4개의 미세전극 어레이를 이식하는 것과 관련이 있다. 이 어레이는 256개의 전극에서 나오는 대뇌 피질 신경 활동을 기록하여 환자가 말을 하기 위해 근육을 움직이려는 시도를 감지한다. 해독된 단어들은 화면에 표시되었고, ALS 환자가 ALS 이전에 했던 말과 비슷하게 고안된 목소리로 소리 내어 읽었다.

환자는 분당 약 32단어의 속도로 의사소통을 할 수 있었으며, 누적 248시간 이상 이 시스템을 사용했다고 Brandman과 그의 공동 저자들은 보고했다.

이 연구는 이번 주 뉴잉글랜드 저널 오브 메디슨(New England Journal of Medicine)에 발표된 두 건의 BCI 임상시험 중 하나였다. 네덜란드 위트레흐트 대학 의료 센터의 Mariska Vansteensel 박사가 주도한 두 번째 연구는 위트레흐트 신경 보철(UNP) 시험에 참여한 진행성 ALS를 앓고 있는 58세 여성의 7년 결과를 문서화했다.

UNP 연구는 그녀와 같이 갇혀 있는 환자들이 집에서 의사소통을 할 수 있도록 돕는 것을 목표로 했다. 2015년, 연구진은 환자의 운동 피질 위에 경막하 전극을 삽입하고 흉부에 피하 위치에 송신기를 삽입한 BCI를 이식했다. 디코딩 소프트웨어와 결합된 이 시스템을 통해 그녀는 다른 사람들과 상호 작용할 수 있었다.

3년이 넘는 기간 동안 BCI는 환자의 유일한 의사소통 수단이자 간병인의 관심을 끌 수 있는 유일한 방법이었다. 시선 추적 장치에 대한 통제력이 줄어들면서 BCI 사용은 증가했지만, 수술 후 6년 후부터 다시 점차 감소했다.

연구가 끝날 무렵 BCI의 성능이 저하되었고 환자는 2023년에 집에서 BCI 사용을 중단했다. 그럼에도 불구하고 기술적 오작동은 관찰되지 않았다. CT 스캔 결과 점진적인 위축이 나타났으며, 이로 인해 신뢰할 수 있는 신경 신호를 생성하는 능력이 손상되었을 수 있으며, 이는 "ALS 관련 신경 퇴행이 수년간의 성공적인 사용 후에도 궁극적으로 뇌-컴퓨터 인터페이스를 비효율적으로 만들었다"고 Vansteensel과 그녀의 공동 저자들은 썼다.

"이 연구는 ALS와 같은 진행성 신경 퇴행성 질환을 가진 환자에서 뇌-컴퓨터 인터페이스의 장기 성능에 대한 중요한 질문을 제기합니다"라고 캘리포니아 대학교 샌프란시스코 캠퍼스의 에드워드 장 박사는 해당 사설에서 논평했다.

Chang 박사는 향후 연구는 퇴화에 덜 취약한 다양한 뇌 영역과의 상호 작용에 초점을 맞춰야 할 수도 있지만, 이러한 영역의 활동을 해독하는 것이 더 어려울 수 있다고 지적했다.

뉴잉글랜드 저널 오브 메디슨(New England Journal of Medicine)의 이번 호에 발표된 두 연구는 "마비를 앓고 있는 사람들의 의사소통을 회복하기 위한 임상적으로 실행 가능하고 실용적인 뇌-컴퓨터 인터페이스의 개발이 급속한 진전을 이루고 있다는 설득력 있는 새로운 증거를 제공한다"고 Chang은 덧붙였다.

그는 이러한 연구가 전극 수와 장기 안정성에 제한이 있는 이전 세대의 신경 인터페이스를 사용했지만, 통신 BCI가 제공할 수 있는 의미 있는 이점을 명확하게 보여준다고 강조했다. 이 기술을 더욱 발전시키기 위해서는 새로운 장치와 신경 인터페이스의 개발이 매우 필요하다.