"뇌 영역 간 소통 포착"…감정 읽는 신경 칩 개발

스위스 로잔연방공과대학교(EPFL) 연구진이 뇌의 여러 영역 간 상호작용을 해독해 인지 및 감정 상태를 실시간으로 파악하는 새로운 신경 칩을 개발했다.

23일 스위스 로잔공대(EPFL) 통합신경기술연구소는 저전력 이식형 신경 칩 '로그싱크'(LogSync)를 개발했다고 밝혔다. 이 칩은 뇌 활동을 기록하고 뇌파 강도와 여러 뇌 영역 신호 간의 동기화를 분석한다. 연구 결과는 '국제전기전자공학회 고체회로 저널'(IEEE Journal of Solid-State Circuits)에 게재됐다.

이번 연구는 정신 질환이 단일 뇌 영역의 기능 장애보다 뇌 영역 간 소통 장애에서 비롯된다는 관점에서 출발했다. 기존 심부뇌자극술(DBS) 시스템은 미리 설정된 값으로 자극을 전달하거나 단일 뇌 영역의 신호에만 의존하는 한계가 있었다.

로그싱크는 뇌의 여러 영역에서 활동을 기록해 뇌파의 강도와 신호 간 동기화 정도를 나타내는 바이오마커를 추출한다. 이후 기계학습 알고리즘이 이러한 네트워크 수준의 바이오마커를 분석해 인지 및 감정 상태를 구별하고 특정 상태가 감지되면 자극 신호를 생성한다.

연구팀은 과거 정신의학 실험에서 얻은 인간의 뇌 기록을 사용해 로그싱크의 성능을 평가했다. 그 결과 칩의 알고리즘은 뇌 기록만으로 정신적 과제를 수행할 때의 인지적 몰입도 변화와 동영상을 볼 때의 감정적 흥분 상태를 구별해냈다. 미네소타 대학교에서 진행된 쥐 실험에서는 뇌 활동의 특정 단계에서 자극 신호를 생성하는 데 성공했다.

이 칩의 가장 큰 과제는 이식형 시스템의 제한된 전력 내에서 모든 기능을 구현하는 것이었다. 연구팀은 알고리즘과 하드웨어를 함께 개발하는 '공동 설계' 접근 방식을 통해 전력 소비를 200마이크로와트 미만으로 유지하면서 단일 칩에서 네트워크 수준의 신경 신호 처리 및 해독을 달성했다.

이번 연구는 미국 국립정신건강연구소(NIMH)의 660만 스위스프랑(CHF) 지원 과제의 일환으로 진행됐다. 연구팀은 로그싱크가 파킨슨병 등 운동 장애를 위한 차세대 뇌심부자극술이나 비침습적 자극 기술 등에도 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대했다.

연구를 이끈 마샤 쇼아란 교수는 EPFL 스핀오프 기업 '인페라 뉴로'(Infera Neuro)를 공동 창업하는 등 지능형 신경 인터페이스의 임상 적용을 위한 연구를 이어가고 있다.