미세 조정된 뇌-컴퓨터 인터페이스로 의수족이 더욱 현실감 있게 느껴짐

당신은 아마도 손을 보지 않고도 놀라운 수의 작업을 완료할 수 있을 것입니다. 그러나 촉각을 방해하는 장갑을 끼면 이러한 간단한 작업 중 상당수가 좌절감을 느끼게 됩니다. 고유 감각(신체의 상대적 위치와 움직임을 감지하는 능력)을 제거하면 결국 물체가 부러지거나 부상을 입을 수도 있습니다.

시카고 대학의 신경과학자인 찰스 그린스폰(Charles Greenspon) 박사는 “대부분의 사람들은 시각 대신에 타이핑, 걷기, 물 한 컵 집기 등의 촉각에 얼마나 자주 의존하는지 깨닫지 못합니다.”라고 말했습니다. "느낌이 없으면 무슨 일을 하든 계속 손을 조심해야 하며, 물건을 쏟거나 부수거나 떨어뜨릴 위험도 있습니다."

Greenspon과 그의 연구 협력자들은 최근에 논문을 발표했습니다. 자연의생명공학과 그리고 과학 이 문제를 정확하게 해결하기 위해 고안된 기술의 주요 진전을 문서화합니다. 즉, 의수에 미묘한 "느낌"을 주기 위해 촉각 피드백을 재현할 수 있는 뇌의 직접적이고 신중한 시기의 전기 자극입니다.

감각 회복의 과학

이 새로운 연구는 시카고대학교, 피츠버그 대학교, 노스웨스턴 대학교, 케이스 웨스턴 리저브 대학교 및 Blackrock Neurotech의 과학자 및 엔지니어 간의 수년간의 협력을 기반으로 합니다. 그들은 심각한 사지 기능을 잃은 사람들의 운동 제어와 감각을 모두 회복하는 것을 목표로 하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)와 로봇 보철 팔을 함께 설계, 제작, 구현 및 개선하고 있습니다.

시카고대에서는 신경과학자 슬리먼 벤스마이아(Sliman Bensmaia) 박사가 2023년 예상치 못한 죽음을 맞이할 때까지 이 연구를 주도했습니다.

보철 감각에 대한 연구자들의 접근 방식에는 손을 움직이고 느끼는 것을 담당하는 뇌 부분에 작은 전극 배열을 배치하는 것이 포함됩니다. 한쪽에서는 참가자가 단순히 움직임에 대해 생각함으로써 로봇 팔을 움직일 수 있고, 다른 쪽에서는 해당 로봇 팔다리에 있는 센서가 접촉을 담당하는 뇌 부분에서 피질내 미세자극(ICMS)이라는 전기 활동 펄스를 유발할 수 있습니다.

Greenspon은 약 10년 동안 이러한 터치 센터의 자극은 손의 여러 위치에 단순한 접촉 감각만 제공할 수 있었다고 설명했습니다.

"우리는 무언가를 만지고 있다는 느낌을 불러일으킬 수 있지만 이는 대부분 단순히 켜기/끄기 신호일 뿐이며 종종 손의 접촉이 발생한 위치를 파악하기가 매우 약하고 어렵습니다."라고 그는 말했습니다.

새로 발표된 결과는 이러한 한계를 극복하는 데 중요한 이정표를 나타냅니다.

인공 터치에 대한 이해 증진

첫 번째 연구에서는 자연의생명공학과Greenspon과 그의 동료들은 전기적으로 유발되는 촉각이 안정적이고 정확하게 위치화되며 일상 업무에 유용할 만큼 강력하도록 하는 데 중점을 두었습니다.

참가자의 터치 센터에 있는 개별 전극에 짧은 펄스를 전달하고 각 감각을 어디에서 얼마나 강하게 느꼈는지 보고하도록 함으로써 연구자들은 손의 특정 부분에 해당하는 뇌 영역의 상세한 "지도"를 만들었습니다. 테스트 결과, 밀접하게 배치된 두 개의 전극이 함께 자극될 때 참가자는 더 강하고 명확한 촉감을 느끼게 되어 손의 올바른 부분에 대한 압력을 찾고 측정하는 능력이 향상될 수 있는 것으로 나타났습니다.

연구진은 또한 동일한 전극이 특정 위치에 해당하는 감각을 일관되게 생성하는지 확인하기 위해 철저한 테스트를 수행했습니다.

"첫 번째 날에 전극을 자극하고 참가자가 엄지 손가락으로 그것을 느낀다면 우리는 100일, 1,000일, 심지어 몇 년이 지난 후에도 동일한 전극을 테스트할 수 있으며 그들은 여전히 ​​​​거의 같은 지점에서 그것을 느낍니다"라고 Greenspon은 말했습니다. , 이 논문의 주요 저자였습니다.

실용적인 관점에서 볼 때 모든 임상 장치는 환자가 일상 생활에서 사용할 수 있을 만큼 충분히 안정적이어야 합니다. 지속적으로 "터치 위치"를 이동하거나 일관되지 않은 감각을 생성하는 전극은 실망스러울 수 있으며 빈번한 재보정이 필요합니다. 대조적으로, 이 연구에서 밝혀진 장기적인 일관성은 보철물 사용자가 자연스러운 팔다리에서와 마찬가지로 운동 제어 및 촉각에 대한 자신감을 개발할 수 있게 해줍니다.

움직임과 모양의 느낌 추가

보완적인 과학 Paper는 한 단계 더 발전하여 인공적인 터치를 더욱 몰입감 있고 직관적으로 만들었습니다. 이 프로젝트는 제1저자인 Giacomo Valle 박사가 주도했으며, 그는 현재 스웨덴의 Chalmers University of Technology에서 생체공학 연구를 계속하고 있습니다. 그는 전 시카고대 박사후 연구원이었습니다.

"뇌에 나란히 있는 두 개의 전극은 손을 1:1로 대응시키는 깔끔한 작은 패치로 '타일링'하는 감각을 생성하지 않습니다. 대신 감각 위치가 겹칩니다." 이 논문의 벤스마이아와 공동 수석 저자인 그린스폰이 설명했습니다.

연구자들은 이러한 중첩 특성을 사용하여 사용자가 물체의 경계나 피부를 따라 미끄러지는 물체의 움직임을 느낄 수 있는 감각을 생성할 수 있는지 테스트하기로 결정했습니다. 과학자들은 "터치 영역"이 겹치는 전극 쌍 또는 클러스터를 식별한 후 신중하게 조율된 패턴으로 전극을 활성화하여 감각 지도 전체에 걸쳐 진행되는 감각을 생성했습니다.

참가자들은 자극이 작고 개별적인 단계로 전달됨에도 불구하고 손가락 위로 부드럽게 미끄러지는 터치를 느꼈다고 설명했습니다. 과학자들은 이러한 결과를 감각 입력을 서로 연결하고 인식의 공백을 "채움"하여 일관되고 감동적인 경험으로 해석하는 뇌의 놀라운 능력에 기인한다고 생각합니다.

또한 순차적으로 전극을 활성화하는 접근 방식은 복잡한 촉각 모양을 구별하고 접촉한 물체의 변화에 ​​반응하는 참가자의 능력을 크게 향상시켰습니다. 그들은 때때로 손가락 끝에 전기적으로 "추적"된 알파벳 문자를 식별할 수 있었고, 스티어링 휠이 손에서 미끄러지기 시작할 때 생체공학 팔을 사용하여 스티어링 휠을 안정시킬 수도 있었습니다.

이러한 발전은 생체 공학적 피드백을 정확하고 복잡하며 자연스러운 접촉의 적응 능력에 더 가깝게 이동시켜 일상적인 물체를 자신있게 다루고 변화하는 자극에 반응할 수 있는 보철물의 길을 닦는 데 도움이 됩니다.

신경보철학의 미래

연구원들은 전극 디자인과 수술 방법이 지속적으로 개선됨에 따라 손 전체의 적용 범위가 더욱 미세해져서 더욱 실제와 같은 피드백이 가능해지기를 바라고 있습니다.

"우리는 이 두 가지 연구 결과를 우리의 로봇 시스템에 통합하기를 희망합니다. 우리는 이미 간단한 자극 전략이라도 인간의 뇌로 로봇 팔을 제어하는 ​​능력을 향상시킬 수 있다는 것을 보여주었습니다"라고 공동 저자이자 부교수인 Robert Gaunt 박사는 말했습니다. 피츠버그 대학교에서 물리 의학 및 재활학을 전공하고 자극 작업을 이끌고 있습니다.

Greenspon은 이 작업의 동기가 사지 손실이나 마비를 안고 살아가는 사람들의 독립성과 삶의 질을 향상시키는 것이라고 강조했습니다.

"우리 모두는 부상을 입고 사지의 사용을 잃은 사람들에 대해 관심을 갖고 있습니다. 이 연구는 그들을 위한 것입니다"라고 그는 말했습니다. "이것이 우리가 사람들의 촉감을 복원하는 방법입니다. 이는 회복 신경 기술의 최전선이며 우리는 뇌의 다른 영역으로 접근 방식을 확장하기 위해 노력하고 있습니다."

이 접근 방식은 다른 유형의 감각 상실이 있는 사람들에게도 가능성이 있습니다. 실제로 이 그룹은 유방절제술 후 촉각을 회복할 수 있는 이식형 장치를 생산하는 것을 목표로 하는 생체 공학 유방 프로젝트(Bionic Breast Project)에서 시카고대학교의 외과의사 및 산부인과 의사와도 협력했습니다.

많은 과제가 남아 있지만 이러한 최신 연구는 접촉을 복원하는 경로가 점점 더 명확해지고 있다는 증거를 제공합니다. 각각의 새로운 발견을 통해 연구자들은 보철 신체 부위가 단순한 기능적 도구가 아니라 세상을 경험하는 방법이 되는 미래에 더 가까워졌습니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250116161334.htm

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