중국이 세계에서 두 번째로 침입형 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술의 임상시험 단계에 진입했다고 중국 관영 언론이 보도했다. 이번 성과는 일론 머스크의 뉴럴링크(Neuralink)에 이어 전 세계에서 두 번째 성과로, 기술적 측면에서는 뉴럴링크보다 더욱 진보된 것으로 평가받고 있다.
세계 최소 크기, 최고 유연성의 뇌 임플란트 개발
이번 연구는 중국과학원 뇌과학 및 지능기술 탁월혁신센터가 푸단대학교 부속 화산병원 및 관련 기업들과 공동으로 진행했다. 연구팀이 개발한 신경전극은 현재 전 세계에서 가장 작은 크기와 최고의 유연성을 자랑한다.
핵심 성과를 살펴보면, 식입체의 크기는 동전 크기에 불과해 뉴럴링크 제품의 절반 수준이다. 직경 26mm, 두께 6mm 미만으로 전 세계에서 가장 작은 뇌 제어 임플란트다. 더욱 주목할 만한 것은 초유연성 전극으로, 머리카락 굵기의 1/100 정도에 불과해 뉴럴링크보다 100배 이상 유연하다는 점이다.
사고로 인해 사지를 절단한 37세 남성 환자가 이번 임상시험의 첫 번째 피험자가 되었다. 그는 현재 생각만으로 오목 게임을 하고, 문자 메시지를 보내는 등의 작업을 수행할 수 있다. 연구팀에 따르면 올해 3월 BCI 장치를 뇌에 이식한 이후 시스템이 안정적으로 작동하고 있으며, 수술 후 한 달 이상 감염이나 전극 고장 현상이 발생하지 않았다고 밝혔다.
반도체 공정 기술 도입으로 혁신적 성능 구현
연구팀의 가장 큰 혁신은 반도체 가공 공정을 BCI 기술에 도입한 것이다. 침입형 뇌-컴퓨터 인터페이스는 미세수술을 통해 전극을 뇌에 직접 이식해야 하므로, 뇌 조직에 대한 손상을 최대한 줄이는 것이 핵심 목표였다.
연구팀이 새롭게 개발한 신경전극은 횡단면적이 뉴럴링크가 사용하는 전극의 1/5~1/7 수준에 불과하다. 반도체 가공 공정을 활용해 전극 크기를 뇌의 신경원 조직과 유사한 크기로 가공했으며, 신경전극의 유연성도 뇌 신경원 간의 상호작용 및 충돌력과 같은 수준으로 조정했다.
연구팀은 “신경전극이 작으면서도 부드러워 뇌에서 장기간 안정적으로 작동할 수 있다”며 “전극이 뇌에 들어간 후 거의 이물감이 없다”고 설명했다.
장기적 안정성 측면에서도 기존 기술의 한계를 극복했다. 뉴럴링크의 경우 임상시험 약 100일 만에 피험자 체내 전극 연결선에 ‘탈락’ 현상이 발생한 바 있다. 일반적으로 미세 센서들이 체액에 의해 부식되기 쉬운 문제를 해결하기 위해, 연구팀은 반도체 분야의 신뢰성 표준과 기술을 핵심 부품 가공에 도입했다. 이를 통해 우수한 생체 적합성과 정밀한 신호 수집 능력을 보장했으며, 현재 이 장치의 뇌 내 사용 수명은 5년으로 설정되어 있다.
실시간 온라인 디코딩 기술로 자연스러운 인터페이스 구현
하드웨어 혁신과 함께 소프트웨어 알고리즘 최적화도 핵심 성과 중 하나다. 실시간 인간-기계 상호작용을 보장하기 위해 연구팀은 실시간 온라인 디코딩 기술을 개발했다. 시스템은 십여 밀리초의 시간 창 내에서 신경신호 특징 추출, 운동 의도 해석, 제어 명령 생성의 전체 과정을 완료해야 한다.
이를 위해 연구팀은 자체 개발한 온라인 학습 프레임워크를 통해 신경 디코더의 동적 최적화를 창조적으로 구현했다. 적응형 조절 메커니즘을 채택해 신경신호의 비정상성에 적응하는 밀리초급 고정밀도 응답의 폐쇄 루프 제어 링크를 구축했다.
피험자는 단 2-3주의 적응 훈련만으로 생각을 통해 컴퓨터의 터치패드를 제어해 체스를 두고 레이싱 게임을 할 수 있게 되었다. 연구팀은 “일반인이 컴퓨터 터치패드를 제어하는 수준과 유사한 성능을 달성했다”고 밝혔다.
업그레이드 가능한 시스템으로 지속적 발전 가능
임상시험 이전에 이 장치의 안전성과 기능성은 이미 원숭이 실험을 통해 검증되었다. 특히 주목할 만한 것은 이차 수술을 통한 임플란트 업그레이드 교체의 가능성도 입증되었다는 점이다.
연구팀은 첫 번째 임플란트가 일정 기간 안정적으로 작동한 후, 원숭이의 뇌에서 임플란트를 안전하게 제거하고 동일한 두개골 개구부 위치에서 새로운 임플란트로 교체하는 이차 이식을 성공적으로 완료했다. 실험 결과 수술 후 시스템이 지속적으로 안정 작동했으며, 감염이나 전극 고장 현상도 발생하지 않았다. 특별 훈련을 받은 원숭이도 새 시스템에 빠르게 적응해 ‘생각으로 커서 제어’를 구현할 수 있었다.
이는 5년의 장치 사용 기간이 끝나더라도 지속적인 업데이트와 교체가 가능함을 의미한다.
향후 전망과 응용 가능성
연구팀은 단기적으로 피험자가 기계팔을 사용할 수 있도록 하여 물리적 생활에서 물건 잡기, 컵 들기 등의 동작을 완료할 수 있도록 시도할 예정이라고 밝혔다.
장기적으로는 로봇 개, 구현형 지능 로봇 등 지능 장비에 대한 제어를 포함한 복잡한 물리적 외부 장치 제어까지 확장해 생활의 경계를 넓힐 가능성도 있다고 전망했다.
이번 연구는 완전 척수 손상, 양측 상지 절단, 근위축성 측삭경화증 환자 등의 생존 질량을 현저히 개선할 수 있을 것으로 기대된다. 중국의 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술이 세계 최고 수준에 도달했음을 보여주는 동시에, 향후 더욱 광범위한 의료 및 기술 응용 분야에서의 발전 가능성을 제시하고 있다.
