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  [일반] [BCI 칩] 작은 "뉴로그레인(NEUROGRAINS)"이 차세대 뇌-컴퓨터 인터페이스에 동력을 제공할 수 있다. 뉴로그레인이라고 불리는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 언젠가는 뇌 또는 척추 부상을 입은 사람들이 움직이거나 의사 소통하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 보조 장치이  게시글을 twitter로 보내기 게시글을 facebook으로 보내기 게시글을 카카오스토리로 보내기
write date : 2021-08-24 08:44:17   

 
 뉴로그레인이라고 불리는 작은 칩은 뇌의 전기적 활동을 감지하고 그 데이터를 무선으로 전송할 수 있다. 크레딧: 이지훈/브라운대학교

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 언젠가는 뇌 또는 척추 부상을 입은 사람들이 움직이거나 의사 소통하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 보조 장치이다. BCI 시스템은 뇌에 전기 신호를 기록하고 이러한 신호를 사용하여 컴퓨터나 로봇 보철과 같은 외부 장치를 구동하는 이식 가능한 센서에 의존한다.

대부분의 현재 BCI 시스템은 하나 또는 두 개의 센서를 사용하여 최대 수백 개의 뉴런을 샘플링하지만 신경과학자들은 훨씬 더 큰 뇌 세포 그룹에서 데이터를 수집할 수 있는 시스템에 관심이 있다.

이제 연구원 팀은 미래의 BCI 시스템을 위한 새로운 개념을 향한 중요한 단계를 밟았다. 이 시스템은 각각 소금 알갱이 크기의 독립적인 무선 마이크로스케일 신경센서의 조정된 네트워크를 사용하여 뇌를 기록하고 활동을 자극한다.  "뉴로그레인"이라고 불리는 센서는 뉴런을 발사하여 생성된 전기 펄스를 독립적으로 기록하고 신호를 조정하고 처리하는 중앙 허브에 무선으로 신호를 보낸다.

네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics) 8월 12일자에 발표된 연구에서 연구팀은 설치류의 신경 활동을 기록하기 위해 거의 50개의 자율 신경 입자를 사용하는 것을 시연했다.

연구자들은 이 결과가 언젠가는 뇌 신호를 전례 없이 자세하게 기록할 수 있는 시스템을 향한 한 걸음이 되어 뇌가 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 통찰력과 뇌 또는 척추 부상을 입은 사람들을 위한 새로운 치료법을 제시할 수 있다고 말한다.

"뇌-컴퓨터 인터페이스 분야의 큰 도전 중 하나는 뇌의 가능한 많은 지점을 조사하는 엔지니어링 방법이다."라고 브라운 공과 대학의 교수이자 이 연구의 수석 저자인 Arto Nurmikko가 말했다. “지금까지 대부분의 BCI는 작은 바늘 베드와 같은 모놀리식 장치였다. 우리 팀의 아이디어는 그 단일체를 대뇌 피질 전체에 분포할 수 있는 작은 센서로 분해하는 것이었다. 그것이 우리가 여기서 증명할 수 있었던 것이다.”

Brown, Baylor University, University of California at San Diego 및 Qualcomm의 전문가로 구성된 팀은 약 4년 전에 시스템 개발 작업을 시작했다. Brown's Carney Institute for Brain Science와 제휴하고 있는 Nurmikko는 도전 과제가 두 가지였다고 말했다. 첫 번째 부분에서는 신경 신호를 감지, 증폭 및 작은 실리콘 뉴로그레인 칩으로 전송하는 것과 관련된 복잡한 전자 장치를 축소해야 했다. 팀은 먼저 컴퓨터에서 전자 장치를 설계하고 시뮬레이션했으며 운영 칩을 개발하기 위해 여러 번의 제조 반복을 거쳤다.

두 번째 과제는 이러한 작은 칩에서 신호를 수신하는 본체-외부 통신 허브를 개발하는 것이었다. 이 장치는 엄지 지문 정도의 얇은 패치로 두개골 외부의 두피에 부착된다. 그것은 네트워크 프로토콜을 사용하여 각각 자체 네트워크 주소가 있는 뉴로그레인의 신호를 조정하는 소형 휴대폰 타워처럼 작동한다. 패치는 또한 최소한의 전기를 사용하여 작동하도록 설계된 뉴로그레인에 무선으로 전원을 공급한다.

“이 연구는 진정한 다학문적 도전이었다.”라고 Brown의 박사후 연구원이자 이 연구의 주저자인 Jihun Lee가 말했다. "우리는 뉴로그레인 시스템을 설계하고 운영하기 위해 전자기, 무선 주파수 통신, 회로 설계, 제조 및 신경 과학 분야의 전문 지식을 결합해야 했다."

이 새로운 연구의 목표는 시스템이 살아있는 뇌(설치류의 뇌)의 신경신호를 기록할 수 있음을 입증하는 것이었다. 연구팀은 뇌의 바깥층인 동물의 대뇌피질에 48개의 뉴로그레인을 배치하고 자발적인 뇌 활동과 관련된 특징적인 신경 신호를 성공적으로 기록했다.

팀은 또한 뇌를 자극하고 뇌를 기록하는 장치의 능력을 테스트했다. 자극은 신경활동을 활성화할 수 있는 작은 전기 펄스로 이루어진다. 자극은 신경 기록을 조정하는 동일한 허브에 의해 구동되며 언젠가는 질병이나 부상으로 손실된 뇌 기능을 회복할 수 있을 것으로 연구원들은 희망한다.

동물의 뇌 크기는 이 연구를 위해 팀을 48개의 뉴로그레인으로 제한했지만 데이터는 시스템의 현재 구성이 최대 770개까지 지원할 수 있음을 시사한다. 궁극적으로 팀은 수천 개의 뉴로그레인까지 확장할 수 있는 계획을 구상하고 있다. 현재 도달할 수 없는 뇌 활동의 그림을 가능하게 한다.

"시스템이 초당 메가비트 속도로 무선전력전송과 네트워킹을 동시에 요구하기 때문에 도전적인 시도였다. 이것은 매우 좁은 실리콘 영역과 전력 제약 하에서 달성되어야 한다."라고 동료 Vincent Leung이 말했다. Baylor의 전기컴퓨터공학과 교수인 그는  "우리 팀은 분산 신경 임플란트의 한계를 뛰어 넘었다."라고 말했다.

그 완전한 시스템을 현실로 만들기 위해 해야 할 일이 훨씬 더 많지만 연구원들은 이 연구가 그 방향의 핵심 단계를 나타낸다고 말했다.

Nurmikko는 "우리의 희망은 궁극적으로 뇌에 대한 새로운 과학적 통찰력과 치명적인 부상을 입은 사람들을 도울 수 있는 새로운 치료법을 제공하는 시스템을 개발하는 것이다."라고 말했다. TechnologyNetworks.com을 통해

 

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