네이처 뉴로사이언스(Nature Neuroscience) 최신호에 따르면 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology) 연구진이 개발한 기능적 초음파(FUS) 기술이 머신러닝으로 프로그래밍된 디코더를 통해 뇌 활동을 읽고 그 의미를 해독할 수 있는 '온라인' 뇌-컴퓨터 인터페이스(BMI)의 기초가 될 수 있다는 새로운 연구 결과가 확인됐다. 이를 통해 극도로 짧은 대기 시간과 정확한 움직임 예측으로 컴퓨터를 제어할 수 있다.
해부학적 기록 평면 및 행동 작업. 이미지 출처: 물리학자 조직 네트워크
2021년에 Caltech 연구원들은 훨씬 덜 침습적인 기술인 기능적 초음파를 사용하여 뇌 활동을 읽는 방법을 개발했습니다.
초음파 영상은 고주파 사운드 펄스를 방출한 다음 인체의 다양한 조직과 같은 물질에서 이러한 사운드 진동의 에코를 측정하는 방식으로 작동합니다. 음파는 이러한 조직 유형에서 서로 다른 속도로 이동하며 조직 사이의 경계에서 반사됩니다. 이 기술은 일반적으로 자궁 내 태아의 이미지를 촬영하거나 기타 진단 이미지 촬영에 사용됩니다.
두개골은 음파가 투과되지 않기 때문에 초음파를 사용한 뇌 영상을 촬영하려면 두개골에 투명한 "창"이 필요합니다. 초음파 기술은 뇌 자체에 이식할 필요가 없으므로 감염 가능성을 크게 줄이고 뇌 조직과 뇌 조직을 보호하는 경막을 그대로 유지합니다.
신경 활동의 변화는 산소와 같은 대사 자원의 활용에 변화를 가져올 수 있습니다. 이러한 자원은 혈액을 통해 보충되는데, 이는 기능성 초음파의 핵심입니다. 이 연구에서 연구자들은 초음파를 사용하여 특정 뇌 영역으로의 혈류 변화를 측정했습니다. 구급차 사이렌의 음조가 거리에 따라 달라지는 것처럼, 적혈구는 소리의 근원지에 접근할 때 반사된 초음파의 음조를 높이고, 음원에서 멀어질수록 음조를 낮춥니다.
연구자들은 이 도플러 효과를 측정함으로써 머리카락 너비 정도인 100마이크론의 공간 영역에서 뇌 혈류의 작은 변화를 기록할 수 있습니다. 그들은 뇌 전체에 널리 분포되어 있는 작은 신경 세포 집단의 활동을 동시에 측정할 수 있었으며 일부는 60개의 뉴런만큼 작았습니다.
연구자들은 기능적 초음파를 사용하여 움직임을 계획하고 실행하는 데 도움을 주는 영역인 비인간 영장류의 후두정피질(PPC)에서 뇌 활동을 측정했습니다. 동물들은 두 가지 작업을 배웠습니다. 손을 움직여 화면의 커서를 안내하는 것과 눈을 움직여 화면의 특정 부분을 보는 것입니다. BMI는 뇌 활동을 읽을 수 있기 때문에 실제로 눈이나 손을 움직이는 것이 아니라 작업 수행에 대해서만 생각하면 됩니다.
초음파 데이터는 실시간으로 디코더로 전송되며, 디코더는 원하는 위치로 커서를 이동하기 위한 제어 신호를 생성합니다. BMI는 작은 평균 오차로 8개의 방사형 목표에 대해 이를 성공적으로 수행할 수 있었습니다.