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뇌-컴퓨터 인터페이스

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목차

1. 개요

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 뇌의 전기적 활동을 감지하여 컴퓨터나 외부 장치를 제어하는 기술이다. 1920년대 뇌파 연구에서 시작되어, 앨빈 루시어의 뇌파를 이용한 음악, 자크 비달의 BCI 개념 제시를 거쳐, 1990년대 이후 뇌 기능 영상 기술 발전과 함께 침습적, 비침습적, 부분 침습적 방식으로 발전해왔다. 침습적 BCI는 뇌에 전극을 삽입하여 정확한 신호 측정이 가능하지만 수술의 위험이 있으며, 비침습적 BCI는 두피에 전극을 부착하여 안전하지만 해상도가 낮다는 단점이 있다. 부분 침습적 BCI는 두 방식의 중간 형태이다. BCI는 뇌 신호 처리 및 해석 기술을 통해 완구, 간호·복지, 군사, 스포츠 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 특히 의료 분야에서 마비 환자의 운동 기능 회복, 의사소통 보조 등에 활용된다. 하지만 개인 정보 보호, 자율성 침해, 사회적 불평등 심화 등 윤리적 문제도 제기되고 있어, 기술 발전과 함께 윤리적 논의가 중요해지고 있다.

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뇌-컴퓨터 인터페이스
개요
뇌-컴퓨터 인터페이스 다이어그램
뇌-컴퓨터 인터페이스 다이어그램
유형침습적
부분 침습적
비침습적
기술적 정보
신호 획득 방법뇌전도 (EEG)
뇌자도 (MEG)
기능 자기 공명 영상 (fMRI)
피질뇌파기록법 (ECoG)
단일 뉴런 기록
역사
최초 연구1970년대, 자크 비달
주요 발전1990년대 후반, 인간 대상 임상 실험 시작
응용 분야
의료신경 보철 (Neuroprosthetics)
마비 환자 보조
의사 소통 보조
재활
게임게임 컨트롤
몰입형 게임 경험
기타뇌 기능 연구
정신 질환 진단 및 치료
관련 용어
관련 기술신경 공학
인공지능
기계 학습
관련 개념사이보그
트랜스휴머니즘
마음-몸 문제
윤리적 고려 사항
주요 논점개인 정보 보호
데이터 보안
책임 소재
사회적 불평등 심화 가능성
미래 전망
발전 방향성능 향상
소형화 및 휴대성 증가
새로운 응용 분야 개척
윤리적 문제 해결

2. 역사

한스 베르거가 뇌의 전기적 활동을 발견하고 뇌파 (EEG)를 개발하면서 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)의 역사가 시작되었다. 1924년 베르거는 EEG를 사용하여 인간의 뇌 활동을 처음으로 기록했다. 베르거는 EEG 기록을 분석하여 알파파(8–13 Hz)와 같은 신경 진동을 식별할 수 있었다.

베르거의 첫 번째 기록 장치는 초보적인 수준이었다. 그는 환자의 두피 아래에 은 선을 삽입했다. 이것은 나중에 고무 붕대로 환자의 머리에 부착된 은박지로 대체되었다. 베르거는 이 센서를 Lippmann 모세관 전위계에 연결했지만 실망스러운 결과를 얻었다. 그러나 10-4 볼트만큼 작은 전압을 표시하는 지멘스 이중 코일 기록 검류계와 같은 더 정교한 측정 장치가 성공을 이끌었다.

베르거는 EEG 파형 다이어그램의 변화와 뇌 질환 간의 상호 관계를 분석했다. EEG는 뇌 연구에 완전히 새로운 가능성을 열었다.

뇌와 기계를 연결한다는 아이디어는 오래전부터 존재했다. 20세기 초에 제작된 미래예상도 2000년의 『학교에서』에서는 뇌에 연결된 장치로 공부하는 학생이 그려져 있다.[235]

BCI라는 용어가 아직 만들어지기 전, 작동하는 뇌-기계 인터페이스의 가장 초창기 예 중 하나는 미국 작곡가 앨빈 루시어의 작품인 ''독주자를 위한 음악''(1965)이었다. 이 작품은 EEG와 아날로그 신호 처리 하드웨어(필터, 증폭기 및 혼합 보드)를 사용하여 음향 타악기를 자극한다. 이 작품을 연주하려면 알파파를 생성하고, 이를 통해 악기 근처 또는 직접 스피커를 배치하여 다양한 악기를 "연주"해야 한다.[9]

UCLA의 교수인 자크 비달Jacques Vidal은 "BCI"라는 용어를 만들고 이 주제에 대한 최초의 동료 심사를 거친 출판물을 발표했다.[3][4] 그는 BCI의 발명자로 널리 알려져 있다.[10][11][12] 비달은 1973년 논문에서 EEG 신호를 사용하여 외부 물체를 제어하는 "BCI 과제"를 언급했으며,[13] 특히 예상 부호 변화(CNV) 잠재력을 BCI 제어의 과제로 사용했음을 지적했다. 비달의 1977년 실험은 1973년 BCI 과제 이후 BCI의 첫 번째 응용 분야였다. 이는 컴퓨터 화면에서 커서와 유사한 그래픽 객체를 비침습적 EEG (실제로 시각 유발 전위 (VEP))로 제어하는 것이었다. 이 시연은 미로에서의 움직임이었다.[14]

1988년은 물리적 객체, 즉 로봇을 비침습적 EEG로 제어하는 최초의 시연이었다. 이 실험은 바닥에 그려진 선에 의해 정의된 임의의 궤적을 따라 움직임의 여러 시작-정지-재시작 주기를 EEG로 제어하는 것을 보여주었다. 선을 따라가는 동작은 자율적인 지능과 자율적인 에너지원을 활용하는 기본 로봇 동작이었다.[15][16][17][18]

1990년, 예상 뇌 잠재력인 예상 부호 변화(CNV) 잠재력으로 컴퓨터 부저를 제어하는 폐쇄 루프, 양방향, 적응형 BCI에 대한 보고서가 발표되었다.[19][20] 이 실험은 CNV로 나타나는 뇌의 기대 상태가 S1-S2-CNV 패러다임에서 S2 부저를 제어하기 위해 피드백 루프를 사용하는 방법을 설명했다. 뇌에서 기대 학습을 나타내는 결과적 인지파는 전기 예상도(EXG)라고 명명되었다. CNV 뇌 잠재력은 비달의 1973년 과제의 일부였다.

1960년대에 한 연구자는 훈련을 통해 뇌파(EEG)를 사용하여 알파파로 모스 부호를 만들었다.[153] 2002년 케빈 워릭은 자신의 신경계를 인터넷에 연결하기 위해 100개의 전극 어레이를 신경계에 삽입했다. 워릭은 일련의 실험을 수행했다. 그의 아내의 신경계에 전극을 이식하여 두 인간의 신경계 간의 최초의 직접적인 전자 통신 실험을 수행할 수 있었다.[158][159][160][161]

2010년대의 연구는 분자 메커니즘 조절을 통해 기능적 연결성과 관련 행동을 복원할 수 있는 신경 자극의 잠재력을 시사했다.[21][22] 이는 BCI 기술이 기능을 복원할 수 있다는 개념을 열었다.

2013년 2월 27일, 미겔 니코렐리스의 듀크 대학교 연구팀과 IINN-ELS는 두 마리의 쥐의 뇌를 연결하여 정보 공유를 가능하게 함으로써 최초의 직접적인 뇌 대 뇌 인터페이스를 만들었다.[154][155][156]

게르윈 샬크는 ECoG 신호가 말하거나 상상한 단어에 포함된 모음과 자음을 구별할 수 있으며, 이는 이러한 단어의 생성과 관련된 메커니즘을 밝히고 상상된 음성을 사용하는 뇌 기반 통신의 기반을 제공할 수 있다고 보고했다.[101][157]

신경 먼지는 2011년 캘리포니아 대학교 버클리 무선 연구 센터의 논문에서 제안된 무선 전력 전송으로 작동하는 밀리미터 크기의 신경 센서 장치이다.[226][227]

2013년부터 DARPA는 피츠버그 대학교 의료 센터,[23] Paradromics,[24] Brown,[25] 및 Synchron.[26]을 포함한 팀의 연구를 지원하는 BRAIN 이니셔티브를 통해 BCI 기술에 자금을 지원했다.

다른 연구자들은 참가자의 두피에 부착된 비침습 기술을 사용하여 원거리에서 참가자들 간의 뇌 대 뇌 통신을 달성했다. 단어는 정보를 보내는 사람의 인지 운동 입력에 의해 이진 스트림으로 인코딩되었다. 정보의 의사 무작위 비트는 "hola"(스페인어로 "안녕")와 "ciao"(이탈리아어로 "안녕")라는 단어를 인코딩하여 정신 대 정신으로 전송되었다.[162]

BMI를 비롯한 맨-머신 인터페이스의 연구는 1970년대 무렵 시작되었으며, 실제로 인체에 외부 기기가 이식된 것은 1990년대 중반부터이다.

21세기에 들어 시각이나 청각을 보조하는 인공 감각 기기나, 모터로 작동하는 의수·의족과 같은 BMI 기기의 인간 이식 사례가 나타났다. fMRI 등으로 얻은 신호를 심층 학습 등의 정보 기술로 보정·분석함으로써 정밀도가 크게 향상되었다.[229] 2024년 5월, 뇌파로 제어하는 로봇 "NOIR(누아르)"는 이미 실용화에 근접해 있다.[237]

3. 방식

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 뇌 활동을 측정하는 방식에 따라 크게 침습적 방식과 비침습적 방식으로 나뉜다. 이 두 가지 방식을 조합하여 더 실용적이고 고도화된 활동을 가능하게 하는 방법도 연구되고 있다.

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 방식 비교
구분침습적 BCI비침습적 BCI
전극 위치뇌에 직접 삽입두피에 부착
신호 정확도높음낮음
장점정확한 신호 획득안전하고 간편함
단점수술 필요, 부작용 가능성낮은 정확도, 훈련 필요
활용 예시시각/운동 기능 회복뇌졸중 재활, 의사소통 보조, 게임


  • 부분 침습적 BCI: 두개골 안에 장치를 이식하지만, 뇌 회백질 내부가 아닌 뇌 외부에 위치한다. 비침습적 BCI보다 높은 해상도의 신호를 얻을 수 있고, 완전 침습적 BCI보다 뇌에 흉터 조직이 형성될 위험이 낮다.


ECoG(피질파)는 경막 하부나 경막 외부에서 뇌파를 측정하는 방식이다.[305] 2004년 워싱턴 대학교 세인트루이스의 에릭 로이트하트와 대니얼 머랜은 사람을 대상으로 피질파를 처음 측정했고, 이후 스페이스 인베이더 게임을 할 수 있을 정도로 기술이 발전했다.[306] 이 연구에서는 훈련 시간이 기존 연구보다 훨씬 짧았고, 즉각적인 제어도 가능했기 때문에 ECoG가 신호 유용성과 침습 정도를 절충한 좋은 대안이 될 수 있다고 언급했다.

피질파는 뇌파에 비해 해상도와 신호 대 잡음비가 좋고, 진동수 대역이 넓다. 또한 침습적 측정 기술에 비해 기술적 어려움, 의료적 문제, 장기적 관찰 가능성 측면에서 유리하다. 이러한 장점과 적은 훈련 필요성 덕분에 운동장애를 가진 사람들에게 실제로 적용될 가능성이 가장 높다고 여겨진다.[308][309]

대표적인 비침습적 BCI로는 뇌파(EEG), 뇌자도(MEG), NIRS, fMRI가 있다. 비침습식은 뇌 손상 위험이 적고, 사람 대상 연구가 비교적 용이하다는 장점이 있지만, EEG의 경우 두개골 등의 영향으로 뇌파가 변화하여 공간 분해능이 떨어진다는 문제점이 있다.[243] 페이스북은 비침습식 BMI 개발을 선도적으로 진행했으나, 2021년 조기 실용화를 포기하고 관련 정보를 오픈 소스로 공개했다.[245][246]

3. 1. 침습적 BCI

침습적 BCI는 뇌에 직접 전극을 삽입하여 신호를 받기 때문에 더 정확한 신호를 얻을 수 있지만, 수술에 따른 부작용이 발생할 수 있다는 단점이 있다.[295]

침습적 BCI 연구는 주로 시각을 잃은 사람이나 마비 환자에게 새로운 기능을 제공하는 데 초점을 맞추고 있다. 뇌의 회백질에 직접 전극을 삽입하기 때문에 매우 질 좋은 신호를 얻을 수 있지만, 흉터 조직이 생겨 신호가 약해지거나 사라지는 경우도 있다.[57]

시각 과학 분야에서는 후천적으로 시각 장애를 갖게 된 사람들을 위해 뇌에 직접 삽입물을 이식하는 연구가 진행되어 왔다. 초기 연구자 중 한 명인 윌리엄 도벨(William Dobelle)은 BCI를 통해 시각을 회복시키는 데 성공했다.

1978년, 도벨은 후천적 시각장애인인 제리에게 68개의 전극 배열을 시각피질에 삽입하고, 안경에 달린 카메라를 통해 전극에 신호를 전달하여 안내섬광을 느끼게 했다. 처음에는 낮은 프레임의 어두운 그림자로만 사물을 인식했지만, 기술 발달로 휴대 가능한 기기를 통해 다른 사람의 도움 없이 간단한 작업을 수행할 수 있게 되었다.[296]

브레인게이트의 BCI 모형


2002년에는 도벨의 실험에 참여한 16명의 환자 중 한 명인 젠스 나우만이 2세대 삽입술을 받았다. 2세대 장치는 안내섬광을 이용해 시각을 구현하는 능력이 향상되었다. 삽입 직후, 젠스는 자동차로 주차장을 천천히 운전할 수 있을 정도로 시각이 회복되었다. 그러나 도벨은 2004년에 사망하여 연구가 중단되었고,[297] 실험에 참여한 환자들은 다시 시력을 잃었다. 나우만은 도벨과의 경험을 《낙원을 찾아서: 인공 시각 피험자의 증언》이라는 책으로 출판하고,[298] 현재는 온타리오 남동부의 농장에서 정상적인 생활을 하고 있다.[299]

마비 환자의 운동 기능 회복을 위한 BCI 연구도 진행되었다. 필립 케네디와 로이 배케이는 인간 뇌에 전극을 삽입하여 높은 수준으로 행동을 복제하는 데 성공했다. 1997년 뇌간 뇌졸중으로 락트인 증후군(locked-in syndrome)을 앓던 조니 레이는 1998년에 뇌에 전극을 삽입받고, 오랜 훈련 끝에 컴퓨터 커서를 움직일 수 있게 되었다. 레이는 2002년 뇌동맥류로 사망했다.[300]

사지마비 환자인 맷 네이글은 2005년 사이버키네틱스의 BrainGate 임상 시험에 참여했다. 팔 운동을 담당하는 중심전이랑에 96개의 전극을 삽입받은 네이글은 생각만으로 로봇팔, 컴퓨터 커서, 전등, TV를 조종할 수 있게 되었다.[301]

최근 브라운 대학교의 Braingate 연구팀[302]과 피츠버그 의료센터 연구팀은 미국 보훈부와 협력하여,[303] 사지마비 환자의 운동 피질 신경 배열을 통해 자유도가 높은 로봇팔을 조종하는 데 성공했다.

원격 제어 동물에 대한 연구도 진행되고 있다. 몇몇 연구실에서는 원숭이와 쥐의 대뇌 피질에서 신호를 읽어 BCI를 작동시켜 움직임을 만들어내는 데 성공했다. 원숭이는 운동 출력 없이 과제를 생각하고 그 결과를 보기만 하면서 컴퓨터 커서를 움직이고, 로봇 팔에 간단한 작업을 명령했다.[28] 2008년 5월, 피츠버그 대학교 메디컬 센터의 원숭이가 생각만으로 로봇 팔을 조작하는 사진이 여러 연구에서 발표되었다.[29]

뇌-컴퓨터 인터페이스를 사용하여 로봇 팔을 조작하는 원숭이 (피츠버그 대학교 슈워츠 연구실)

3. 1. 1. 침습적 BCI의 윤리적 문제

침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 뇌에 전극을 직접 삽입하여 신호를 얻는 방식으로, 높은 정확도를 가지지만 수술을 동반하기 때문에 윤리적 문제가 더욱 중요하게 고려되어야 한다.

수술 후 감염, 뇌 손상 등의 부작용이 발생할 수 있으며, 뇌 조직 손상 및 면역 반응으로 인해 장기적인 안정성 문제가 발생할 수 있다.[295] 뇌에 흉터 조직이 생기면 신호가 약해지거나 사라질 수 있고, 신체가 전극에 거부 반응을 일으켜 의료적 문제가 발생할 수도 있다.

최근에는 일론 머스크가 설립한 뉴럴링크(Neuralink)와 같은 기업들이 침습적 BCI 개발을 주도하고 있는데, 이로 인해 윤리적 우려가 제기되고 있다. 뉴럴링크는 신체 장애 및 정신 질환 치료를 목표로 하는 동시에, 인공지능(AI) 시대에 인간의 기능을 확장하는 것을 최종 목표로 삼고 있다.[242]

침습적 BCI와 관련된 주요 윤리적, 법적, 사회적 이슈는 다음과 같다.[371][372][373][374][375]

  • 의사소통이 어려운 환자의 사전 동의 문제
  • BCI 기술의 부작용 (예: 신경 피드백 훈련이 수면의 질에 미치는 영향[376])
  • 개인의 책임과 책임 제약 (예: 신경 보철물 오작동 시 책임 소재)
  • 인간성 및 성격 변화 가능성
  • 인간과 기계 간 경계의 모호함
  • 의료계에서의 과다 적용
  • 생각 읽기 및 프라이버시 문제
  • 세뇌
  • 정부에 의한 오용 (심문 등)
  • 선택적 혜택에 의한 사회 계층화


하지만 현재 대부분의 BCI는 교정 치료에 사용되고 있어 위와 같은 윤리적 문제와는 거리가 있다. 전문가들은 BCI 기술이 사회적으로 수용되기 위해서는 윤리 지침 마련, 적절한 미디어 보도, BCI에 대한 교육이 중요하다고 강조한다.[379]

3. 2. 비침습적 BCI

비침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 두피에 전극을 부착하여 뇌 활동을 측정하는 방식이다. 이 방식은 안전하고 간편하다는 장점이 있지만, 정확도가 낮다는 단점이 있다. 비침습적 BCI는 뇌파검사(EEG), 뇌자도(MEG), 기능적 자기 공명 영상(fMRI), 근적외선 분광법(NIRS) 등을 활용한다.

뇌파검사(EEG)는 가장 널리 사용되는 비침습적 BCI 기술이다. EEG는 착용이 간편하고 수술이 필요 없지만, 공간 해상도가 낮고 두개골의 영향으로 신호가 왜곡된다는 단점이 있다. 또한, EEG 기반 BCI는 사용 전에 충분한 훈련이 필요하다.[109]

초기 BCI 연구에서는 EEG를 사용하기 위해 광범위한 훈련이 필요했다. 예를 들어, 튀빙겐 대학교의 닐스 비르바우머는 마비 환자들이 EEG에서 느린 피질 전위를 스스로 조절하도록 훈련시켜 컴퓨터 커서를 제어하는 실험을 진행했다. 이 실험은 환자들이 커서로 100자를 쓰는 데 한 시간 이상이 걸렸고, 훈련에는 몇 달이 소요되었다.[109]

그러나 이후 연구에서는 사용자가 BCI를 작동하기 쉬운 뇌 신호인 뮤파와 베타파 리듬을 선택할 수 있도록 하는 기술이 개발되었다. 또한, P300 신호와 같이 훈련 없이도 사용할 수 있는 BCI 기술도 연구되고 있다.

최근에는 미네소타 대학교의 빈 허 연구팀이 EEG 기반 BCI가 침습적 BCI에 가까운 작업을 수행할 수 있음을 보여주었다. 이들은 고급 신경 영상 기술과 훈련 프로토콜을 통해 가상 헬리콥터의 비행을 제어하는 비침습적 EEG 기반 BCI를 개발했다.[115]

비침습적 BCI는 뇌졸중 재활, 의사소통 보조, 게임, 엔터테인먼트 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 예를 들어, 게르트 프푸르첼러와 그의 동료들은 척수 손상 환자의 상지 움직임을 회복시키기 위해 BCI 제어 기능적 전기 자극 시스템을 시연했다.[135] 또한, 캘리포니아 대학교 어바인 연구원들은 BCI 기술이 척수 손상 후 뇌 제어 보행을 회복시킬 수 있음을 처음으로 시연했다.[136][137]

최근에는 여러 기업들이 저렴한 BCI를 만들기 위해 EEG 기술의 의료 등급을 축소하는 추세이다. 뉴로스카이, 마텔의 마인드플렉스와 같은 장난감들은 상업적으로 큰 성공을 거두었다.

비침습적 BCI의 대표적인 예시는 다음과 같다:

비침습식은 뇌를 손상시킬 위험이 적고, 사람을 대상으로 한 연구가 비교적 용이하다는 장점이 있다. 그러나 EEG의 경우 두개골 등의 영향으로 뇌파가 변화하여 공간 분해능이 떨어진다는 문제점이 있다.[243]

페이스북은 비침습식 BMI 개발을 선도적으로 진행하고 있다. 2019년에는 스타트업 CTRL-labs사를 인수하여 생각만으로 문자 입력이 가능한 장치 개발을 목표로 했으나, 2021년 조기 실용화를 포기하고 관련 정보를 오픈 소스로 공개했다.[245][246]

3. 3. 부분 침습적 BCI

부분 침습적 BCI 장치는 두개골 안에 이식되지만, 뇌 회백질 내부에 삽입되는 대신 뇌 외부에 위치한다. 이러한 장치는 두개골의 뼈 조직이 신호를 굴절시키고 변형시키는 비침습적 BCI보다 더 높은 해상도의 신호를 생성하며, 완전 침습적 BCI보다 뇌에 흉터 조직이 형성될 위험이 낮다. 뇌졸중 주변 병변 피질에서 얻은 피질 내 BCI의 전임상 시연이 수행되었다.[89]

ECoG(Electrocorticography, 피질파)는 두뇌 Parenchyma영어이 아닌 경막 하부나 경막 외부에서 뇌파를 측정하는 방식이다.[305] 피질파는 2004년에 워싱턴 대학교 세인트루이스의 에릭 로이트하트Eric Leuthardt와 대니얼 머랜Daniel Moran에 의해 사람을 대상으로 처음 측정되었고, 이후 스페이스 인베이더를 하는 것이 가능할 정도로 기술이 발달되었다.[306] 훈련에 필요한 시간이 기존의 연구들보다 월등히 적었으며, 또 즉각적인 제어 역시 가능했다는 점에서 ECoG가 신호의 유용성과 침습 정도를 절충한 좋은 대안이 될 수 있다고 논문에서 명시했다.

피질파는 뇌파에 비해 좋은 해상도와 신호-노이즈 비, 넓은 진동수 대역을 가지고 있고, 동시에 침습적 측정 기술에 비해 기술적인 어려움, 의료적 문제, 장기적 관찰 가능성이 있다는 점에서 좋은 절충안이 된다. 이러한 이점과 적은 훈련을 필요로 한다는 점에서 운동장애를 가진 사람들에게 실제 적용될 가능성이 가장 높다고 여겨진다.[308][309]

4. 신호 처리 및 해석

BCI 시스템은 뇌 신호를 해석하고 특정 패턴을 추출하여 사용자의 의도를 파악한다. 이를 위해 다음과 같은 과정을 거친다.


  • 특징 추출: 뇌 신호에서 유의미한 정보를 추출한다. 뇌파의 특징을 추출하는 방법에는 다음이 있다.
  • 시간-주파수 분포 (TFD)
  • 고속 푸리에 변환 (FFT)
  • 웨이블릿 변환 (WT)
  • 고유벡터 방법 (EM)
  • 자기 회귀 방법 (ARM)
  • 뇌 신호와 작용 대상 연결: 추출된 특징 벡터를 사용하여 뇌 신호와 특정 행동 또는 의도 간의 관계를 설정한다. 이 과정에서 사용되는 방법은 다음과 같다.
  • 독립 성분 분석 (ICA)
  • K-평균 군집화
  • 서포트 벡터 머신 (SVM)
  • 기타 방법: 명시적인 특징 추출 없이, 합성곱 신경망과 같은 기법을 사용하여 end-to-end 학습을 시키는 방법도 존재한다.


딥 러닝 등의 정보 처리 기술을 이용하여 분석 정확도를 높이는 연구도 진행 중이다.[230]

5. 응용 분야

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 의료, 군사, 게임, 엔터테인먼트 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.


  • 의료: 뇌졸중, 척수 손상 등으로 마비된 환자의 운동 기능 회복 및 의사소통 보조, 뇌 질환 진단 및 치료, 인공와우, 인공망막 등 인공 감각에 활용된다.
  • 군사: 미국 국방고등연구계획국(DARPA)은 신경 신호를 통해 상호작용하는 "조용한 대화" 프로그램을 연구하고 있으며, 육체의 일부를 기계화한 사이보그 병사, 뇌로 전투기나 전차를 원격 조작하는 군사용 로봇 개발 등에 활용될 수 있다.
  • 게임 및 엔터테인먼트: NeuroSky, Mattel Mindflex와 같은 장난감들이 상업적 성공을 거두었으며, 다양한 회사들이 연구 및 엔터테인먼트 목적으로 BCI를 개발하고 있다.


연도회사제품/내용
2006년소니(Sony)신경 인터페이스 시스템 특허 획득[380]
2007년NeuroSky게임 NeuroBoy와 함께 최초의 저렴한 소비자용 EEG(뇌파) 장치 출시[381]
2008년OCZ Technology비디오 게임용 장치 개발[382]
2008년스퀘어 에닉스(Square Enix)NeuroSky와 파트너십을 맺고 게임 Judecca 제작 발표[383][384]
2009년MattelMindflex 출시[383][385]
2009년Uncle Milton Industries스타워즈 포스 트레이너(Force Trainer) 출시[383][386]
2009년Emotiv14 채널 EEG 장치인 EPOC 출시[387]
2011년Neurowear"necomimi"를 올해의 발명품 중 하나로 선정[388]
2014년They Shall Walk하반신 마비 및 사지 마비 환자를 위한 외골격(LIFESUIT) 제작, 무선 BCI 개발[389]
2016년취미 개발자 그룹오픈 소스 BCI 보드 개발[390]
2020년NextMind건식 전극이 있는 EEG 헤드셋 개발 키트 출시[194][195]
2023년PiEEG라즈베리 파이를 뇌-컴퓨터 인터페이스로 변환할 수 있는 쉴드 출시[197]


  • 기타: 스마트 홈 제어, 뉴로마케팅, 거짓말 탐지, 스포츠, 뉴로 커뮤니케이터 등

5. 1. 의료

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 뇌졸중, 척수 손상 등으로 인해 마비된 환자의 운동 기능 회복에 활용된다. 환자가 운동을 시도하거나 상상할 때 운동 피질의 활성을 측정하여 BCI를 제공하며, 이를 통해 환자나 치료사에게 운동 불이행 여부를 알리거나 기능성 자극 또는 가상 아바타로 피드백을 제공한다.[403][404][405][406]

운동 기능 회복을 위한 BCI는 주로 환자의 운동 상상을 측정하기 위해 뇌파(EEG)를 사용해왔으나, fMRI를 통해 EEG와는 다른 생리적 변화를 BCI에 사용할 수도 있다.[407][408] 비침습적 뇌 자극을 BCI와 함께 사용한 경우도 있다.[409] 2016년 멜버른 대학교는 마비 환자가 외부 장치를 사용할 수 있도록 BCI를 활용하는 방안에 대한 개념 증명 데이터를 발표했으며,[410][411] 현재 임상 실험이 진행 중이다.[412]

BCI는 의사소통이 불가능한 환자(혼수상태, 식물인간 상태, 최소 의식 상태 포함)의 의사소통 보조에도 활용된다. 초기 목표는 간단한 인지 과제를 수행할 수 있는 환자를 찾아 의사소통 가능성을 확인하는 것이다.[398][399] 새로운 BCI 도구는 청각이나 진동 촉각에 기반하며, 환자가 특정 시간에만 의사소통이 가능하다는 점을 고려하여 자동화된 질문(예: "당신의 아버지 이름은 조지입니까?")을 통해 네/아니오로 대답하도록 돕는다. 이러한 의사소통 결과는 의사나 간호사에게 전달되어 진단 수정에 활용된다.[400][401][402]

BCI는 뇌 질환 진단 및 치료에도 사용된다. 예를 들어, 약물에 반응하지 않는 간질 환자나 종양 환자를 위한 신경 수술에서 뇌 지도를 그리는 데 활용된다.[413] BCI 전문가와 의사들은 협력하여 신경 수술을 위한 새로운 뇌 지도화 방법을 연구하고 있으며, 특히 비침습적 방법으로는 측정하기 힘든 감마파에 집중하여 운동과 언어 기능에 중요한 뇌 부위를 구분하는 데 큰 발전을 이루었다.[414]

인공 감각 분야에서는 인공와우가 2010년 12월 기준 22만 명이 사용하는 대표적인 신경 보철물이며,[267] 인공망막도 개발 중이다.

5. 2. 군사

미국 국방고등연구계획국(DARPA)은 2010년에 "조용한 대화" 프로그램에 400만달러의 예산을 편성했다. 이 프로그램의 목적은 전장에서 군인들이 목소리를 사용하지 않고 신경 신호를 통해 상호작용하는 방법을 개발하는 것이다.[357][358] 육군은 이 텔레파시 프로젝트에 630만달러를 투자했다.[357][358]

이 기술을 응용하여, 육체의 일부를 기계화하여 능력을 향상시킨 사이보그 병사를 만들거나, 조종간 등을 사용하지 않고 뇌로 전투기나 전차와 같은 군사용 로봇을 원격 조작하는 구상도 있다. 이러한 군사적 목적은 전투로 인한 인적 손해를 줄이는 것을 목표로 한다. 또한, 군사에 국한되지 않고 인적 손해를 줄이기 위해, 지뢰 제거 등 인간에게 위험한 작업이나 고압·진공과 같은 가혹한 환경에서의 이용도 기대되고 있다.

5. 3. 게임 및 엔터테인먼트

여러 회사들이 연구 및 엔터테인먼트 목적으로 저렴한 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 개발하고 있다. NeuroSky, Mattel MindFlex와 같은 장난감들은 상업적으로 큰 성공을 거두었다.

연도회사제품/내용
2006년소니(Sony)전파가 신경 피질의 신호에 영향을 미치도록 하는 신경 인터페이스 시스템 특허 획득[380]
2007년NeuroSky게임 NeuroBoy와 함께 최초의 저렴한 소비자용 EEG(뇌파) 장치 출시. 건식 센서 기술을 사용한 최초의 대규모 EEG 장치.[381]
2008년OCZ Technology주로 근전도검사에 의존하는 비디오 게임용 장치 개발[382]
2008년스퀘어 에닉스(Square Enix)NeuroSky와 파트너십을 맺고 게임 Judecca 제작 발표[383][384]
2009년MattelNeuroSky와 제휴하여 EEG를 사용하여 장애물 코스를 통과하는 공을 조종하는 게임 Mindflex 출시. 당시 최고의 판매량을 기록한 소비자용 EEG.[383][385]
2009년Uncle Milton IndustriesNeuroSky와 파트너십을 맺고 스타워즈 포스 트레이너(Force Trainer) 출시. 포스를 소유한 듯한 환상을 연출하도록 설계.[383][386]
2009년Emotiv4가지 정신 상태, 13가지 의식 상태, 얼굴 표정 및 머리 움직임을 감지할 수 있는 14 채널 EEG 장치인 EPOC 출시. 생리식염수 용액으로 적셔 더 나은 연결을 할 수 있는 건식 센서 기술을 사용한 최초의 상업용 BCI.[387]
2011년Neurowear타임지에서 "necomimi"를 올해 최고의 발명품 중 하나로 선정[388]
2014년They Shall Walk하반신 마비 및 사지 마비 환자를 위한 외골격(LIFESUIT) 제작 비영리 단체. 무선 BCI 개발을 위해 James W. Shakarji와 파트너십 시작.[389]
2016년취미 개발자 그룹신경 신호를 스마트폰의 오디오 잭으로 보내는 오픈 소스 BCI 보드 개발. 엔트리 레벨 BCI의 비용을 20파운드로 낮춤.[390] 기본 진단 소프트웨어는 안드로이드(Android) 장치와 유니티(Unity)용 텍스트 입력 앱에서 사용 가능.[391]
2020년NextMind399달러에 건식 전극이 있는 EEG 헤드셋을 포함한 개발 키트 출시. 다양한 시각적 BCI 데모 애플리케이션 실행 가능, 개발자는 자체 애플리케이션 제작 가능.[194][195]
2023년PiEEG싱글 보드 컴퓨터인 라즈베리 파이를 350달러에 뇌-컴퓨터 인터페이스로 변환할 수 있는 쉴드 출시.[197]



; 완구

: 2003년 스웨덴의 Interactive Productline사가 Mindball을 출시했다.

: 2009년 10월 미국의 벤처 기업 NeuroSky사가 뇌파의 강약을 측정할 수 있는 "Mindset"을 출시했다.[249]이에 대응하는 완구가 출시되었다.[250]

: 이와 유사한 뇌파 측정 기기가 여러 회사에서 출시되고 있다.

5. 4. 기타

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술은 다양한 분야에 응용될 가능성을 가지고 있다.

  • 스마트 홈 제어: BCI를 통해 사용자의 생각만으로 집 안의 조명, 온도, 가전제품 등을 제어할 수 있다.
  • 뉴로마케팅: 소비자의 뇌 활동을 분석하여 제품이나 광고에 대한 반응을 파악하고, 이를 마케팅 전략에 활용할 수 있다.
  • 거짓말 탐지: 뇌파 분석을 통해 거짓말을 탐지하는 기술이 연구되고 있다.


이 외에도 BCI는 완구, 간호·복지, 군사, 스포츠, 뉴로 커뮤니케이터 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

  • 완구: 2003년 스웨덴의 인터랙티브 프로덕트라인(Interactive Productline)사가 마인드볼(Mindball)을 출시했다. 2009년 10월 미국의 벤처 기업 NeuroSky사는 뇌파의 강약을 측정할 수 있는 "Mindset"을 출시했으며[249], 이에 대응하는 완구가 출시되었다[250]。 이와 유사한 뇌파 측정 기기가 여러 회사에서 출시되고 있다.
  • 간호·복지: 근위축성 측삭 경화증이나 사고 등으로 척추 손상으로 부분·전신 마비가 된 사람이 컴퓨터 화면에서 마우스 포인터 사용, 문자 입력, 로봇, 의수, 휠체어 등을 자유자재로 조작할 수 있게 되면서, 뇌 이외의 기관을 단말기로 간주하는 의료도 등장하고 있다[248]。 또한, 딥 러닝 등의 새로운 기술을 응용하여 비침습식으로도 속도와 정확성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다[229]。 응용 사례로 파킨슨병이나 우울증 치료에도 뇌심부 자극술로 실용화되고 있다. 그러나 우울증의 경우, 환자의 성격을 바꿔 버릴 위험성도 있어 법률적인 면과 윤리적인 면에서 논의가 이루어지고 있다. 시력을 잃은 환자의 뇌에 카메라를 연결하여 시각을 부활시키는 인공 시각 연구도 진행되고 있다[251][228]。 의수를 환지통을 경감하는 치료에 이용하는 등 응용 연구도 진행되고 있다[248]。
  • 군사: 군비 경쟁에도 확산되고 있다. 이 기술을 응용하여, 육체의 일부를 기계화하여 능력을 향상시킨 사이버그 병사를 만들어내는 것과, 조종간 등을 사용하지 않고 뇌로 전투기나 전차와 같은 단말기 (군사용 로봇)를 원격 조작하는 구상도 있다. 모두 전투로 인한 인적 손해를 줄이는 것을 목적으로 한다. 또한, 군사에 국한되지 않고 인적 손해를 줄이기 위해, 지뢰 제거 등 인간에게 위험한 작업이나 고압·진공과 같은 가혹한 환경에의 이용도 기대되고 있다.
  • 스포츠: 스포츠 분야에서는, 이른바 "정신 상태"를 뇌파로 자각하거나, 심박수 등을 제어할 수 있도록 하기 위해, 바이오피드백이라는 수법이 사용되고 있다.
  • 뉴로 커뮤니케이터: 뉴욕 주립 대학교의 존 셰이핀 교수의 마우스 실험에서는, 뇌의 쾌감을 지각하는 부분에 전기 자극을 보내 물리적으로 길들여, 자유자재로 진행 방향을 명령하는[252] 등의 현저한 사례도 볼 수 있다.

6. 윤리적 문제

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 개인정보 보호, 자율성, 동의, 그리고 인간 인지와 외부 장치의 융합에 따른 결과에 대한 우려 등 여러 윤리적 문제를 제기한다. 이러한 윤리적 고려 사항을 탐구하는 것은 기술 발전과 기본적인 인권 및 가치의 보존 사이의 복잡한 상호 작용을 강조한다. BCI 관련 윤리적 문제는 크게 사용자 중심 문제와 법적, 사회적 문제로 분류할 수 있다.

사용자 중심의 주요 우려는 안전과 장기적인 영향에 집중된다. 여기에는 의사 소통이 어려운 개인으로부터의 사전 동의 획득, 환자와 가족의 삶의 질에 미치는 영향, 건강 관련 부작용, 치료 목적 외 사용, 안전 위험, 그리고 일부 BCI 유도 변화의 비가역적 성격 등이 포함된다. 또한, 회사 파산 등의 경우 유지 보수, 수리, 부품 접근성에 대한 문제도 제기된다.[174]

BCI의 법적, 사회적 측면은 기술 채택을 복잡하게 만든다. BCI의 영향으로 자유 의지가 무효화되고 행동 통제력을 상실할 수 있다는 주장, 인지 의도의 부정확한 번역, 뇌 심부 자극으로 인한 인격 변화, 인간과 기계 사이의 경계 모호성 등이 주요 문제로 거론된다.[175] 이외에도 고급 심문 기술에 BCI 사용, 무단 접근("뇌 해킹"),[176] 선택적 향상을 통한 사회 계층화, 정신-읽기, 추적 및 "태깅" 시스템과 관련된 개인 정보 보호 문제, 정신, 움직임 및 감정 통제 가능성도 우려된다.[177] 연구자들은 BCI가 기존 사회적 불평등을 심화시킬 수 있다고 경고한다.

BCI의 발전은 제약 과학의 발전과 유사하게, 장애 해결을 위한 수단으로 시작하여 집중력 향상, 수면 필요성 감소 등 기능 향상으로 점차 변화하고 있다. BCI가 치료에서 기능 향상으로 발전함에 따라, BCI 커뮤니티는 연구, 개발 및 보급에 대한 윤리적 지침에 대한 합의를 도출하기 위해 노력하고 있다.[180][181] BCI에 대한 공평한 접근 보장은 인간 번영에 대한 권리를 침해할 수 있는 세대 간 불평등을 예방하는 데 매우 중요하다.

6. 1. 한국 사회에서의 윤리적 논의

한국 사회는 유교적 전통과 공동체주의 문화가 강하여, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술의 윤리적 문제에 대한 논의가 더욱 중요하게 다루어질 필요가 있다. 개인의 자유와 권리, 공동체의 이익 간의 균형, 기술 발전과 사회적 수용 간의 조화, 그리고 BCI 기술의 오용 및 남용 방지를 위한 법적, 제도적 장치 마련이 필요하다.

BCI 기술은 개인정보 보호, 자율성, 동의, 그리고 인간 인지와 외부 장치의 융합에 따른 결과에 대한 우려를 포함한 윤리적 질문을 제기한다.[371][372][373][374][375] BCI와 관련된 윤리적, 법적, 사회적인 이슈는 다음과 같다.

  • 정의 등의 개념적 문제
  • 의사소통에 문제가 있는 환자들의 사전동의
  • 손익 분석
  • BCI팀의 책임 공유
  • 환자와 그 가정의 삶의 질을 위한 BCI 기술의 결과
  • 부작용
  • 개인의 책임과 책임으로부터의 제약
  • 인간성과 성격이 대체될 가능성
  • 인간과 기계 사이의 구분이 흐려지는 것
  • 의료계에서의 과다적용
  • 동물에서 인간을 대상으로 바꿀 때 불거질 수 있는 연구윤리적 문제들
  • 생각읽기와 프라이버시
  • 세뇌
  • 정부에 의한 오용(심문 등)
  • 선택적 혜택에 의한 사회의 계급화
  • 미디어와의 소통


클라우센(Clausen)은 2009년에 "BCI는 윤리적 도전과제를 제시하지만, 다른 종류의 치료법들에게도 비슷한 생명윤리적 문제가 있다"고 말했다.[376] BCI로 인해 불거질 문제점들에 대해 생명윤리가 잘 준비되어있다고 언급했다. 하젤라거(Haselager)와 그의 동료들은 BCI의 효능과 가치에 대한 예측들은 윤리적 문제를 매우 잘 분석하고 있고, 또한 과학자들이 미디어에 어떻게 접근해야 할지에 대해서도 가르쳐주고 있다고 밝혔다. 게다가, 감금증후군 환자들의 사전동의를 윤리적으로 얻는데 표준 프로토콜로 사용될 수 있을 것이라고도 밝혔다.[377]

BCI와 그 발달과정은 마치 의료분야의 하나로 보인다. 조제학이 장애인들에게 도움을 주기 위해 시작되었던 것으나 이제는 수면욕을 줄이는데 사용되는 만큼, BCI는 치료법중 하나에서 강화도구로 점진적인 변화를 해 나갈 것이다.[378] 연구자들은 이 기술이 사회적으로 받아들여지기 위해서는 윤리에 대한 가이드라인, 적절한 미디어 보도, 그리고 BCI에 대한 교육이 가장 중요할 것임을 잘 알고 있다. 따라서, 최근에는 BCI 커뮤니티 내에서 BCI개발, 발달 및 배포 윤리에 대한 가이드라인을 만들자는 공감대를 형성하고자 하는 노력이 많이 이루어지고 있다.[379]

7. 전망

BCI 기술은 지속적으로 발전하여 다양한 분야에서 활용될 것으로 예상된다. 뇌 신호 처리 기술이 발전하고, 인공지능과의 결합으로 더욱 정교하고 효율적인 BCI 시스템이 개발될 것이다. 뇌-뇌 인터페이스, 뇌-컴퓨터-뇌 인터페이스 등 새로운 형태의 BCI 연구도 활성화될 것이다.

뇌-컴퓨터 인터페이스


상용화 가능한 저가형 BCI 제품이 출시되면서, BCI 시장도 확대될 것이다. NeuroSky는 게임 NeuroBoy와 함께 최초의 저렴한 소비자용 뇌파 장치를 출시했다.[183] Mattel은 Mindflex라는 EEG를 사용하여 장애물 코스를 통과하는 공을 조종하는 게임을 출시했는데, 이는 당시 최고의 판매량을 기록한 소비자용 EEG였다.[185][187]

하지만 BCI 기술의 윤리적, 사회적 문제에 대한 논의도 지속적으로 이루어져야 하며, 이에 대한 해결책을 모색해야 한다.

7. 1. 한국의 BCI 기술 미래

한국은 높은 수준의 IT 기술력과 뇌 과학 연구 역량을 바탕으로 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 분야에서 선도적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 정부의 적극적인 투자와 연구 개발 지원, 그리고 산학연 협력을 통해 BCI 기술 경쟁력을 강화할 수 있을 것이다.

BCI 기술의 발전과 함께 윤리적, 사회적 문제에 대한 선제적인 대응과 사회적 합의 도출 또한 중요하다. BCI 기술을 활용하여 의료, 복지 서비스를 확대하고 국민 삶의 질 향상에 기여할 수 있도록 노력해야 한다.

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