생각으로 로봇을 조종하는 원숭이

우리의 두뇌를 사용해서, 몸을 사용하지 않은 채, 직접 기계를 조종할 수 있을까요? 미겔 니코렐리스가 미국의 한 영리한 원숭이가 생각만으로 일본에 있는 원숭이 아바타를 조종하고 로봇의 팔을 조종하는 법을 배우는 놀라운 실험을 소개합니다. 본 연구는 전신마비 환자들, 그리고 어쩌면 우리 모두에게 큰 의미을 줄 수도 있습니다. (TEDMED 2012에서 촬영)

저와 제 동료들이 연구하는
신경 과학 분야는

일기 예보관과 비슷합니다.

우리는 항상 폭풍을 쫓아갑니다.

우리는 폭풍, 즉 두뇌의 폭풍(영감)을
보거나 측정하고 싶어합니다.

우리는 매일 두뇌의 폭풍(브레인스톰:영감)
에 대해 이야기하지만,

깊은 관심은 거의 기울이지 않습니다.

그래서 저는강연을 항상

이런 내용을 소개하면서 시작합니다.

사실, 우리가 하나 이상의 뉴런

즉, 동시에 백 여개의 뇌 세포를 기록했을 때,

우리는 동일한 동물 안에서 백 여개의 세포가

전기 스파크를 일으키는 것을 볼 수 있었습니다.

이것이 우리가 찍은 기록의 첫 10초 동안의

이미지입니다.

우리는 생각의 한 단편을 잡아

그것을 눈으로 볼 수 있었습니다.

저는 항상 학생들에게

신경 과학자를 천문학자로도
부를 수 있다고 말합니다.

왜냐하면 우리가 다루고 있는 기관 내의

세포의 수가

우주에 있는 은하수의 수와
비견할만 하기 때문이죠.

여기 보시듯, 수십억 개의 뉴런 중

10년 전에는 겨우
백 여개정도 기록하던 것을,

이제는 천 여개를 다루고 있습니다.

우리는 인간 본성의 기초적인 것을
이해하기를 원합니다.

왜냐하면, 아직은 모르지만,

인간 본성이 무엇인지를 정의하는 모든 것은
이러한 폭풍(storms)에서 나오고,

즉, 우리 뇌의 언덕과 골짜기를 넘나드는
폭풍에서 오는 것이기 때문이며,

또 우리의 기억, 믿음,

감정, 미래에 대한 계획을
정의하기 때문입니다.

우리가 하는 모든 것,

인간이 해 온 모든 것과
지금 하고 있거나 할 예정인 것들은

이러한 폭풍을 생성하는
수 많은 뉴런의 노역을 필요로 합니다.

만약 여러분이 '두뇌 폭풍'의
소리를 들어보셨다면

그 소리는 대충 이렇습니다.

여러분이 원하시면
더 크게 할 수 있습니다.

제 아들은 이것을 "잘못 조정된
AM 라디오를 들으면서 팝콘 만들기"라고 부릅니다.

이것이 뇌입니다.

이 전기적 폭풍을
스피커에 연결해서 들으면

백 여개의 뇌 세포가 터지는
소리를 들을 수 있을 겁니다.

여러분의 뇌에서 이런 소리가 납니다.
제 뇌에서도, 어느 누구의 뇌에서도.

신경과학자로서 저희가 이 시간에 하고 싶은 것은

이 교향악, 뇌에서 연주되는
이 음악을 실제로 듣고자 하는 것입니다.

또한 그 소리를 통해 전달되는
의미도 찾아내고 싶지요.

실제로 12년 전에

뇌-기계 인터페이스라 불린
준비물을 만들었습니다.

어떻게 작동하는지 설명한
제작도가 여기 있습니다.

이 개념은, 몇 개의 센서를 부착해ㅅ
이런 폭풍의 소리 - 전기적 폭발음을 듣는 것이었죠.

가능하다면 이 폭풍이 뇌를 출발해

동물의 다리나 팔에 닿는 동안 --

약 0.5초 가량되죠. --

이 신호를 읽어낼 수 있는지 볼까요.

이 신호 안에 들어있는
운동 지시 메시지를 추출하여

디지탈 명령문으로 변환한 다음,

인공 기기로 보내

뇌에서 실시간으로 일어나는
자발적인 움직임을 재현해보고자 했습니다.

그리고 신체가 하는 것에 비해

얼마나 그 신호를 잘 변환할 수 있는지
측정해 보고자 했습니다.

또 우리가 피드백을 실제로 얻어낼 수 있다면,

즉, 이런 기계적인 로봇 컴퓨터 작동 장치로부터 나와
되돌려 보내지는 감각 신호들을 얻을수 있는지 보는겁니다.

이 작동 장치는 뇌의 통제 아래있는데,

신호가 뇌로 돌려보내지면

뇌는 기계로 만든 이 인공 신호에 대해

어떻게 반응하는지를 보고자 했습니다.

바로 이것이 우리가 10년 전에 했던 것입니다.

우리는 이 분야의 수퍼스타가 된

오로라라는 원숭이를 데리고 시작했습니다.

오로라는 비디오 게임을 좋아했습니다.

여기서 보실 수 있듯이,

오로라는 게임을 하기 위해 우리처럼, 여느 아이들처럼,
조이스틱을 사용하는 것을 좋아했습니다.

영장류답게 맞는 답을 얻기 위해
슬쩍 훔쳐보려고도 했지요.

심지어 조이스틱을 이용해
커서로 거너가야 할

대상이 나타나기도 전에

그것이 어디에 있든지
대상을 찾으려고 노력했습니다.

그렇게 하면

커서로 대상을 건너갈 때마다

브라질산 오렌지 주스를
한 방울씩 먹을 수 있었기 때문이죠.

그 오렌지 주스 한 방울이면

어느 원숭이나 뭐든지 하려고 들거에요.

사실 어느 영장류든 그럴겁니다.

생각해보세요,

자, 보셨듯이 오로라가 이 게임을 하면서

하루 수 천번의 시도를 통해

97%를 맞춰서 350ml의
오렌지 주스를 얻어 마시는 동안

저희는 그의 뇌에서 생산되는
'두뇌 폭풍(브레인스톰)'을 기록하고

그 신호를 로봇 팔에 보내

오로라가 만들어내는
그 움직임을 재현해보려고 했습니다.

뇌-기계 인터페이스를 작동시켜

오로라가 몸의 간섭을 받지 않고

생각만으로 그 게임을 할 수 있는지를
알아보고자 하는 생각이었죠.

오로라의 '두뇌 폭풍(브레인스톰)'이
팔을 조종해서

커서를 움직여 대상을 건너는
움직임을 해냈습니다.

놀랍게도 오로라가 하는 것과
완전히 똑같았지요.

이 녀석은 몸을 움직이지도 않고
게임을 했어요.

지금 보시는 커서의 궤적 하나하나가

그가 했던 처음의 움직임과 일치합니다.

바로 뇌의 의도만으로
단지 인공 장치를 조정하여

영장류 몸의 육체적 영역을 떠나

외부 세계에 대한 외부적 움직임을 만들어 낸

첫 순간이었습니다.

그리고 오로라는 게임을 계속했고
대상을 계속해서 찾았으며,

그래서 그가 그토록 원하는
오렌지를 계속해서 얻었습니다.

그 당시 이 녀석은
새로운 팔을 얻었기 때문에 그랬습니다.

여기 보시는 로봇 팔은

제가 보여드린
첫 비디오를 찍은지 30일이 지나,

오로라 뇌의 조종 아래

목표물에 닿기 위해 커서를 움직였지요.

이제 오로라는 로봇 팔을 이용해
게임을 할 수 있다는 것을 알지만

좋아하는 것을 자신의 팔로 할
능력을 잃은 것은 아닙니다.

자신의 등을 긁거나, 우리 중 누구도 긁어줄 수 있고,
다른 게임을 할 수도 있지요.

어떠한 목적이든,

오로라의 뇌는

인공 기기를 신체의 일부로
포함시켰습니다.

자아 인식의 측면에서 오로라는

팔 하나를 더 갖게 된 것이지요.

저희는 이걸 10년 전에 했습니다.

10년 뒤로 빨리 감기를 해보죠.

우리는 작년에야 비로소 로봇 기기 조차
필요하지 않다는 것을 알게 되었습니다.

컴퓨터로 만든 아바타, 즉
원숭이 아바타만 만들면 됩니다.

그리고 원숭이들이 상호 작용하도록
실제로 사용하거나

가상 세계에서 원숭이가

아바타의 1인칭 관점에서
생각하도록 훈련시켜

뇌 활동이 아바타의 팔, 다리를
조종하도록 할 수 있었습니다.

기본적으로 저희가 한 일은 동물들이

아바타를 조종할 수 있도록 훈련시켜

가상 세계에 나타나는 사물들을
탐험하게 하는 것이었습니다.

이 사물들은 시각적으로 동일하지만,

아바타가 이런 물체의 표면을 지나면

그 물체의 미세 촉각 질감에 준하는
전기적 신호를 보내

원숭이의 뇌에 바로 전달되어

아바타가 무엇을 만지는지
뇌에 알려주도록 했습니다.

4주만에 뇌는
이 새로운 감각 과정을 습득했고

새로운 감각 기관을 얻게 되었습니다.

즉 정말 뇌를 해방시킨 것입니다.

뇌가 이 아바타를 움직이기 위한
동작 명령을 내리고

아바타로부터 오는 피드백을
피부의 간섭 없이

뇌에서 바로 처리할 수 있게 했기 때문이죠.

여기 보시는 것이 이 작업의 디자인입니다.

이제 세 개의 대상을 건드리는
원숭이를 보실겁니다.

그 중에 하나를 고를 건데,
단 하나에만 보상이,

즉, 그가 원하는
오렌지 주스가 걸려있습니다.

실제로는 존재하지 않는 가상의 팔을 이용해
그것을 골라야 합니다.

정확하게 이 원숭이가 하는 일입니다.

이것이 바로 인지적 임무에서

뇌가 신체의 물리적 제한으로부터
완전히 자유로워지는 것입니다.

이 원숭이는 대상을 만지기 위해
아바타를 조종하고 있습니다.

이 녀석은 뇌로 바로 전달되는
전기 신호를 받아 질감을 느끼고

뇌는 보상과 관련된 질감이
어떤 것인지 판단합니다.

여러분이 영화에서 보셨던 전설은
원숭이에게 나타나지 않아요.

그나저나 원숭이들은
영어를 읽을 줄 모릅니다.

여러분이 정확한 대상의 위치가 바뀌는 것을
알도록 하였습니다.

그런데 촉감의 차이로 그것을 구별해서

정확한 대상을 눌러 선택합니다.

그래서 이런 동물들의 뇌를 보면,

맨 위의 패널에서 125개 세포의
배열을 보실 수 있을텐데요,

원숭이가 조이스틱을 사용할 때

뇌 내 뉴론에서 뇌의 활동에,
즉 전기적 폭풍(storm)과 관련하여

뇌에 어떤 일이 일어나는지
보여줍니다.

이것은 모든 신경생리학자들이
알고 있는 사진입니다.

기본 배열들에 의해 이 세포들이 모든 가능한 방향으로
암호화 되는 것을 알 수 있습니다.

아래 사진은 원숭이가
몸의 움직임을 멈추고

로봇 기기나 컴퓨터 상의 아바타를 조종할 때
뇌에 어떤 일이 일어나는지 보여줍니다.

컴퓨터를 다시 시작하면

뇌 활동은 바로 이들 새로운 도구를
대변하기 시작합니다.

마치 영장류의 몸의 일부분인 것처럼 말이지요.

뇌는 측정할 수 있을 만큼 빨리
이것을 소화해냅니다.

이는 신체의 감각 기관이

피부 상피의 최말단 조직이 아니라

우리 뇌에서 명령을 내리는 도구의
말단 전자층까지 닿는 것을 의미합니다.

바이올린, 자동차, 자전거, 축구공, 옷 등

모든 것들이 왕성하고 놀라운
활동적인 뇌에 동화됩니다.

어디까지 가능할까요?

몇 년 전 실험에서 이 한계를 시험해봤습니다.

미국 동부 연안의 듀크 대학에서

동물 한 마리를 러닝머신에서 뛰게 하여

움직여야 하는 '브레인스톰(두뇌 폭풍)'을
만들었습니다.

그리고 일본 교토 ATR 연구소에는

사람이나 영장류의 뇌로

로봇 전체를 완전하게 조종하기 위해

만들어 둔 로봇 기기가 하나 있습니다.

원숭이의 움직임을 일으키는 뇌 활동을

일본으로 전송하여 그 로봇을 걷게 하고,

걷는 장면을 다시 듀크 대학으로 보내

원숭이가 그 로봇의 걷는 모습을
볼 수 있게 했습니다.

그래서 원숭이는 뇌 활동으로 조종하는

자신의 몸을 움직여서가 아니라
지구 반대편에서 로봇의

정확한 움직임으로 보상을 받았습니다.

재밌는 것은, 원숭이의 뇌에서
'두뇌 폭풍(브레인스톰)'이 뇌를 떠나

지구 둘레를 한 바퀴 돌아서 오는 속도가

원숭이의 뇌에서 실제 근육에 닿는 것보다
20ms가 빨랐다는 것입니다.

원숭이는 자신보다 여섯 배가 큰 로봇을
지구 반대편에서 움직이고 있었지요.

이 것은 로봇이 자동으로 움직일 수 있게 한
실험 중 하나였습니다.

바로 이것이 영장류의 뇌 활동에 의해

조종하려는 일본의 꿈을 실현한 CB1입니다.

이 모든 것은 우리를 어디로 이끌까요?

이러한 연구를 통해 우리 두 귀 사이에 있는
동적 세계에 대해 연구하는 것 말고

우리가 하고자 하는 것이 무엇일까요?

저희는 이 모든 지식과 기술을 가지고

가장 심각한 신경학적 문제 중 하나를
복구하기 위해 노력하고 있습니다.

수백만의 사람들이 이 '두뇌 폭풍(브레인스톰)'을

행동과 움직임으로 변화시키는 능력을 잃었습니다.

뇌가 이런 '두뇌 폭풍'을 만들고
움직임에 대한 암호를 만들어내지만,

척수의 손상으로 만들어진 장애를
비껴 지나가지는 못합니다.

그래서 저희의 생각은
이걸 우회하는 길을 만드는 것이었어요.

이 뇌-기계 인터페이스를 사용하여
이런 신호를 읽는 겁니다.

이 신호는 다시 움직이려는 욕구를 내재한
더 가대한 '두뇌 폭풍(브레인스톰)'이지요.

마이크로공학 컴퓨터를 이용해
손상된 부위를 우회하고

외골격이라 불리는 새로운 신체,

즉, 이러한 환자를 위한 새로운 몸이 될
온전히 입는 로봇에게로 보내는 것입니다.

이렇게 만들어진 합작 기업의 모습입니다.

"다시 걷기 프로젝트"라 불리는 비영리 협회로

유럽과 미국, 그리고 브라질의

과학자들이 함께

이런 새로운 신체를
실제로 만들기 위해 모였습니다.

그리고 이 몸은
오로라나 다른 원숭이들이

뇌-기계 인터페이스를 통해 사용했던 도구와 같은,
변형이 용이한 기구를 이용하여

일상 생활에서 만들고 사용하는
기구와 결합될 수 있을 것입니다.

그리고 같은 장치를 이용해

환자들이 하고 싶은 동작을 상상하고

이 새로운 몸을 통해 동작으로 변형해낼 수 있게 함으로써,

몸은 뇌가 조종하는 새로운 신체에 동화하게 됩니다.

10년 전쯤에는 이런 일이

절대 일어나지 못할거고,
불가능에 가깝다는 말을 들었습니다.

제가 과학자로서 드릴 수 있는 말씀은

저는 60년 대 중반 남부 브라질에서 자라면서

달에 갈거라고 말하는
몇몇 정신나간 사람들을 보았습니다.

당시 저는 다섯 살이었는데,

왜 나사 (NASA)가 커크 선장과 스포크가 그런 일을 하도록
하지 않는지 이해하지 못했습니다.

무엇보다 이 사람들은 매우 능숙했거든요.

하지만 아이었을 때 본 이 일로 인해서

저는 할머니가 제게 해주시던 말씀을 믿게 되었습니다.

"불가능은 단지 그 일이 이루어지기 위해

누군가 충분한 노력을 하지 않는
가능에 불과하단다."

그래서 많은 이들이 누군가를 걷게하는 것이
불가능하다고 말했을 때,

할머니의 말씀을 따르기로 생각했었습니다.

감사합니다.

(박수)