고려대학교 뇌공학과 Min Lab, “융합적 뇌공학 연구”

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뇌공학이란 뇌의 고수준 정보처리 구조와 원리를 이해하고, 이를 실세계와 지능적으로 상호작용하는 인공 시스템에 구현하는 기술을 연구하는 학문으로 인지로봇, 실버산업, 뇌 질환 진단 및 예측, 게임, 엔터테인먼트, 뉴로 마케팅, 재활 산업은 물론 Mind-Reading기술 등의 발전에 기반이 될 것으로 전망된다.

이러한 흐름에 힘입어 관련분야 연구개발에 매진하고 있는 연구실이 있어 눈길을 끈다. 바로, 고려대학교 뇌공학과 Min lab (책임교수 민병경)이다.

고려대학교 뇌공학과 Min lab을 이끌고 있는 민병경 교수
<고려대학교 뇌공학과 Min lab을 이끌고 있는 민병경 교수>

연구실은 민병경 교수를 중심으로, 미국 Rutgers 대학과 일본 이화학 연구소 및 도요타 연구소에서 뇌파로 움직이는 휠체어를 연구한 최규완 연구교수, 그 외에 4명의 석박사 통합과정 학생으로 구성되어 있다. 연구실에서 초음파 분야의 연구교수로 있던 박은주 박사가 서울대병원으로 자리를 옮기고, 지난 1학기에는 석사 과정 학생 1명이 배출되었다. 민 교수는 “본 연구실의 연구 주제에 흥미가 있고, 성실하며 열정이 있고, 패기가 있는 학생들의 본 연구실 지원을 언제든지 환영한다”고 밝히고 있다.

이 연구실은 뇌과학적 지식을 기반으로, 뇌공학적으로 실생활에 도움이 되는 응용 기술을 개발하는데 연구 목적이 있다. 2012년에 연구실 설립 이후 , 크게 두 가지 축으로 연구실이 운영되고 있다. 하나는 뇌파를 중심으로 하는 연구이고, 다른 하나는 초음파를 중심으로 하는 연구다. 뇌파를 통해서, 인간의 의식적 속성과 인지 기능을 연구하고, 나아가, 사용자의 의도가 반영된 뇌파의 성분을 이용하여, 기계를 동작하는 ‘뇌-기계 인터페이스 (brain-machine interface: BMI)’ 기술을 개발하고 있다. 이처럼, 뇌파를 사용한 연구가 뇌로부터 신호를 추출하여 연구하는 부분이라고 한다면, 뇌 속으로 신호를 넣는 기술은 초음파 연구를 통해서 진행하고 있다. 즉, 저강도 (low-intensity) 초음파 에너지를 두개골을 열지 않고 비침습적으로 신경계에 자극하여, 해당 뇌 인지 기능이나 신경 기능을 제어, 치료 및 재활하는 것이 본 연구실의 두 번째 연구 목표다.

향후에는, 이 두 가지 축을 융합하여, 뇌파-기반으로 뇌로부터 추출된 신호를, 초음파-기반으로 뇌 속으로 전달하여, 해당 신경 기능을 제어하게 되면, 뇌로부터 뇌로의 직접 신호 전달 체계가 구현된다. 이는 ‘뇌-뇌 인터페이스 (brain-brain interface: BBI)’ 기술로서 본 연구실의 궁극적인 연구 방향이다.

전두엽의 고차원적인 인지 뇌파 신호를 사용해서 로봇을 구동하는 모습
<전두엽의 고차원적인 인지 뇌파 신호를 사용해서 로봇을 구동하는 모습>
초음파를 사용해서 신경계 기능 변화를 유발하는 실험
<초음파를 사용해서 신경계 기능 변화를 유발하는 실험>

현재 연구실에서는 비침습적으로 신경 기능을 제어하는 초음파-기반 신경 제어 기술을 ‘글로벌 프론티어’ 위탁 과제로 수행 중이며, 뇌-뇌 인터페이스 연구는 ‘신진 연구’ 과제로 수행 중이다. 얼마 전에는 LG 전자 연구소의 위탁을 받아, LED 조명이 인간의 인지 기능에 미치는 영향을 뇌파 분석을 통해 연구했고, 주의집중과 작업기억에 대한 의미 있는 연구 결과를 발표하였으며, 최근에는 파란색의 조명이 식곤증을 쫒는다는 연구 결과를 국제 학술지에 발표했다.

또한, 신촌 세브란스 신경외과교실과 공동으로 수전증 환자에 대한 초음파 치료의 MEG 연구를 수행했으며, 성균관대 인터렉션 사이언스과와 미국 Parsons 디자인 학교와 공동으로, 국가 이미지가 상품 선호도에 미치는 영향을 뇌파 분석을 통해 보고했고, 건국대 커뮤니케이션학과와 공동으로 뇌파 분석을 통한 신경 언어학 연구를 진행하는 등, 다학제적 인지 신경 과학 프로젝트를 진행하고 있다. 현재는 미국 UC Berkeley 대학과 공동으로 전두엽의 인지적 BMI (뇌-기계 인터페이스) 신호를 연구하고, KIST의 로봇 연구실과 공동으로 전두엽 뇌파를 이용한 로봇 구동 연구를 진행 중에 있다. 또한, 독일의 베를린 공대와 스위스의 EPFL 대학과 BMI 기술에 대한 공동 연구도 진행 중이다.

뇌-뇌 인터페이스 기술 (민병경, M&#369;ller, 2014, Trends in Biotechnology)
<뇌-뇌 인터페이스 기술 (민병경, Műller, 2014, Trends in Biotechnology)>

본 연구실은 뇌파 측정 장치, 분석 프로그램, 초음파 신경 제어 장치, 뇌파 기반 BMI 로봇 구동 시스템 등을 보유하고 있으며, 현재, ‘뇌-뇌 인터페이스 장치 및 방법’, ‘뇌파를 이용한 의도 인식용 두뇌 기계 인터페이스 장치 및 방법’, ‘신경 기능 제어를 위한 초음파 에너지 출력 시스템 및 방법’ 등이 국내 특허가 최근에 등록된 상태이고, 이와 관련한 해외 PCT 특허가 2건이 출원 상태이고, 현재 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 인지 뉴로 피드백 방법’ 특허가 국내와 미국에 동시에 출원 중에 있다.

“미래 사회는 뇌를 중심으로 한 최첨단 통신 시대가 열릴 것이다. 따라서, 본 연구실의 중심 목표인 뇌-뇌 인터페이스 기술은 미래 첨단 사회의 핵심 융합 기술로서, 두 사람 사이에 뇌 신호만으로 의사소통이 가능한 시대를 앞당길 연구 분야다. 이를 통해, 작업 효율과 사회 생산성이 증대되고, 정신 문명이 중심이 될 미래 사회의 패러다임 전환에서 핵심 기술로서 자리매김할 것이다. 예컨대, 소설의 작가가 책이나 스마트폰 등의 매체를 통해 소설의 줄거리를 전달하는 것이 아니라, 뇌-뇌 직접 접속 기술을 이용해서, 뇌로부터 뇌로 온전하게 내용을 전달하는 시대가 도래 할 지도 모른다. 나아가, 본 연구를 통해서, 재활이나 신경 기능 제어 등의 파급 연구 효과도 기대된다”고 민 교수는 언급하고 있다.

민 교수는 현재 한국 뇌공학회 국제협력 이사로 활동하고 있으며, 2013년도에는 한국 인지과학회 총무이사를 역임하기도 했다. 인지 신경과학 분야의 저명한 국제 학술지인 ‘NeuroImage’를 비롯해서, 다양한 국제 학술지의 심사위원으로 활동하고 있고, 최근에는 국제 학술지 ‘Medicine’에 편집위원으로 선임이 되었다. 해당 학술지는 General & Internal Medicine 분야의 150개 학술지 중에, 인용지수 상위 15번째 학술지다.

전자신문인터넷 미래전략팀