과학자들이 실시간으로 생각을 전달하는 초소형 뇌 칩을 공개했습니다.

여기에 표시된 BISC 임플란트는 대략 사람 머리카락만큼 굵습니다. 출처: Columbia Engineering

새로운 뇌 임플란트는 사람들이 컴퓨터와 상호작용하는 방식을 획기적으로 변화시킬 뿐만 아니라 간질, 척수 손상, 루게릭병, 뇌졸중, 실명과 같은 질환에 대한 새로운 치료 가능성을 제시할 수 있습니다. 최소 침습적이고 처리량이 높은 뇌 통신 경로를 구축함으로써 발작 조절을 지원하고 운동, 언어 및 시각 능력을 회복하는 데 도움을 줄 잠재력을 가지고 있습니다.

이 기술의 핵심은 극도로 작은 크기와 초고속 데이터 전송 능력에 있습니다. 컬럼비아 대학교, 뉴욕-프레스비테리언 병원, 스탠퍼드 대학교, 펜실베이니아 대학교의 공동 개발로 탄생한 이 장치는 단일 실리콘 칩을 기반으로 하는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)입니다. 이 칩은 뇌와 외부 컴퓨터 간에 고대역폭 무선 연결을 제공합니다. 이 시스템은 BISC(Biological Interface System to Cortex)라고 불립니다.

12월 8일 네이처 일렉트로닉스( Nature Electronics) 에 발표된 연구는 칩 기반 임플란트, 착용 가능한 "릴레이 스테이션", 그리고 플랫폼 운영에 필요한 소프트웨어를 포함하는 BISC의 아키텍처를 설명합니다. 이 연구의 책임 저자 중 한 명이자 엔지니어링 작업을 이끈 컬럼비아 대학교의 라우 패밀리 전기공학 교수, 생체의공학 교수, 신경과학 교수인 켄 셰퍼드는 "대부분의 이식형 시스템은 체내에서 엄청난 공간을 차지하는 전자 장치들을 중심으로 구성됩니다."라고 말하며, "우리의 임플란트는 매우 얇아서 뇌와 두개골 사이의 공간에 삽입되어 마치 젖은 휴지처럼 뇌 위에 놓일 수 있는 단일 집적 회로 칩입니다."라고 덧붙였습니다.

대뇌 피질을 고대역폭 인터페이스로 변환하기

셰퍼드는 스탠포드 대학교 바이러스 안과 연구소 교수이자 에니그마 프로젝트의 공동 설립자 겸 수석 저자인 안드레아스 S. 톨리아스 박사와 긴밀히 협력했습니다. 톨리아스 박사는 BISC를 통해 수집된 데이터를 포함하여 대규모 신경 기록을 기반으로 AI 시스템을 훈련시킨 풍부한 경험을 바탕으로, 이식 장치가 뇌 활동을 얼마나 잘 해독할 수 있는지 분석하는 데 도움을 주었습니다. 톨리아스 박사는 "BISC는 대뇌 피질 표면을 효과적인 포털로 만들어 AI 및 외부 장치와의 고대역폭, 최소 침습적 읽기/쓰기 통신을 제공합니다."라고 말하며, "단일 칩의 확장성은 간질과 같은 여러 신경정신 질환을 치료하기 위한 적응형 신경 보철 및 뇌-AI 인터페이스의 길을 열어줍니다."라고 덧붙였습니다.

컬럼비아 대학교 신경외과 조교수이자 뉴욕-프레스비테리언/컬럼비아 대학교 어빙 메디컬 센터의 신경외과 전문의인 브렛 영거먼 박사가 이 프로젝트의 주요 임상 협력자로 참여했습니다. 그는 "이 고해상도, 고처리량 장치는 간질에서 마비에 이르기까지 신경 질환 관리에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다."라고 말합니다. 영거먼 박사, 셰퍼드 박사, 그리고 뉴욕-프레스비테리언/컬럼비아의 간질 전문 신경과 전문의인 캐서린 셰본 박사는 최근 미국 국립보건원(NIH)으로부터 약물 난치성 간질 치료에 BISC를 활용하기 위한 연구비를 확보했습니다. 영거먼 박사는 "효과적인 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치의 핵심은 뇌와의 정보 흐름을 극대화하는 동시에 수술적 이식 시 침습성을 최소화하는 것입니다. BISC는 이 두 가지 측면 모두에서 기존 기술을 능가합니다."라고 덧붙였습니다.

"반도체 기술 덕분에 방 크기의 컴퓨터 컴퓨팅 성능을 주머니에 넣을 수 있게 되었습니다."라고 셰퍼드는 말합니다. "이제 의료용 이식형 기기에도 같은 기술을 적용하여 복잡한 전자 장치를 신체에 거의 공간을 차지하지 않고 구현할 수 있게 되었습니다."

차세대 BCI 엔지니어링

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 뉴런이 서로 소통하는 데 사용하는 전기 신호와 연결하여 작동합니다. 현재 의료용 BCI는 일반적으로 증폭기, 데이터 변환기, 무선 송신기 등 여러 개의 개별 마이크로 전자 부품으로 구성됩니다. 이러한 부품들은 두개골 일부를 제거하거나 가슴과 같은 신체의 다른 부위에 이식하는 비교적 큰 용기 안에 보관해야 하며, 전선을 통해 뇌로 연결됩니다.

BISC는 기존 방식과는 다르게 설계되었습니다. 전체 시스템은 두께가 50μm에 불과한 단일 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 집적 회로에 구현되어 있으며, 표준 임플란트 부피의 1/1000도 안 되는 크기를 자랑합니다. 전체 크기가 약 3mm³에 불과한 이 유연한 칩은 뇌 표면에 맞춰 곡면을 형성할 수 있습니다. 이 마이크로 전기피질기록(µECoG) 장치는 65,536개의 전극, 1,024개의 기록 채널, 그리고 16,384개의 자극 채널을 포함하고 있습니다. 반도체 산업 제조 방식을 사용하여 생산되기 때문에 대량 생산에 적합합니다.

이 칩은 무선 송수신기, 무선 전력 회로, 디지털 제어 전자 장치, 전력 관리, 데이터 변환기 및 기록과 자극에 필요한 아날로그 구성 요소를 통합합니다. 외부 중계 스테이션은 맞춤형 초광대역 무선 링크를 통해 전력을 공급하고 데이터 통신을 수행하며, 이 링크는 최대 100Mbps의 처리량을 제공하여 현재 사용 가능한 다른 무선 BCI보다 최소 100배 높은 처리량을 자랑합니다. 802.11 WiFi 장치로 작동하는 이 중계 스테이션은 모든 컴퓨터를 임플란트에 효과적으로 연결합니다.

BISC는 자체 명령어 세트와 포괄적인 소프트웨어 환경을 통합하여 뇌 인터페이스를 위한 특수 컴퓨팅 시스템을 구성합니다. 본 연구에서 시연된 고대역폭 기록 방식은 고급 머신러닝 및 딥러닝 알고리즘을 통해 뇌 신호를 처리할 수 있게 해주며, 이를 통해 복잡한 의도, 지각 경험 및 뇌 상태를 해석할 수 있습니다.

셰퍼드는 "모든 것을 하나의 실리콘 조각에 통합함으로써 뇌 인터페이스가 어떻게 더 작고, 더 안전하며, 훨씬 더 강력해질 수 있는지 보여주었습니다."라고 말했습니다.

첨단 반도체 제조

BISC 임플란트는 TSMC의 0.13μm 바이폴라-CMOS-DMOS(BCD) 기술을 사용하여 제작되었습니다. 이 제작 방식은 세 가지 반도체 기술을 하나의 칩에 결합하여 혼합 신호 집적 회로(IC)를 구현합니다. 이를 통해 디지털 로직(CMOS), 고전류 및 고전압 아날로그 기능(바이폴라 및 DMOS 트랜지스터), 그리고 전력 소자(DMOS)가 효율적으로 함께 작동할 수 있으며, 이는 BISC의 성능에 필수적인 요소입니다.

실험실에서 임상 사용으로 나아가기

이 시스템을 실제 의료 현장에 적용하기 위해 셰퍼드 연구팀은 뉴욕-프레스비테리언/컬럼비아 대학교 어빙 메디컬 센터의 영거먼 박사와 협력했습니다. 그들은 전임상 모델에서 얇은 임플란트를 안전하게 삽입하는 수술 절차를 개발했고, 이 장치가 고품질의 안정적인 기록을 생성한다는 것을 확인했습니다. 현재 인체를 대상으로 한 단기 수술 중 연구가 진행 중입니다.

"이번 초기 연구는 실제 수술 환경에서 기기의 성능에 대한 매우 귀중한 데이터를 제공해 줍니다."라고 영거먼 박사는 말합니다. "이 임플란트는 두개골에 최소 침습적인 절개를 통해 삽입되어 경막하 공간의 뇌 표면에 직접 고정됩니다. 종이처럼 얇은 형태와 뇌를 관통하는 전극이나 두개골에 임플란트를 고정하는 전선이 없다는 점은 조직 반응성을 최소화하고 시간이 지남에 따른 신호 저하를 방지합니다."

펜실베이니아 대학의 신경외과 교수인 톨리아스 박사와 비잔 페사란은 모두 계산 및 시스템 신경 과학 분야의 저명한 리더로서, 운동 피질과 시각 피질에 대한 광범위한 전임상 연구를 수행했습니다.

페사란은 "BISC의 극도의 소형화는 빛과 소리 등 다른 방식으로 뇌와 연결되는 차세대 이식형 기술을 위한 플랫폼으로서 매우 흥미롭습니다."라고 말했습니다.

BISC는 국방 고등 연구 계획국(DARPA)의 신경 공학 시스템 설계 프로그램을 통해 개발되었으며, 마이크로 전자공학 분야에서 컬럼비아의 심층적인 전문성, 스탠포드와 펜의 첨단 신경 과학 프로그램, 뉴욕-프레스비테리언/컬럼비아 대학 어빙 의료 센터의 수술 역량을 활용했습니다.

상업 개발 및 미래 AI 통합

이 기술을 실용화에 한 걸음 더 다가가기 위해 컬럼비아대와 스탠퍼드대 연구진은 컬럼비아대 전기공학과 출신이자 이 프로젝트의 수석 엔지니어 중 한 명인 난위 젱 박사가 설립한 스타트업인 캄토 뉴로테크(Kampto Neurotech)를 설립했습니다. 캄토 뉴로테크는 연구용 칩을 생산하고 있으며, 인체 적용을 위한 시스템 개발을 위한 자금 확보에도 힘쓰고 있습니다.

"이것은 BCI 장치를 만드는 근본적으로 다른 방식입니다."라고 Zeng은 말합니다. "이런 방식으로 BISC는 경쟁 장치보다 몇 배나 더 뛰어난 기술적 역량을 보유하고 있습니다."

인공지능이 계속 발전함에 따라 BCI는 신경 질환이 있는 사람들의 상실된 능력을 회복하는 데 활용되거나 뇌와 컴퓨터 간의 직접적인 통신을 통해 정상적인 기능을 향상시키는 잠재적인 미래 응용 분야에서 주목을 받고 있습니다.

"초고해상도 신경 기록과 완전 무선 작동을 결합하고, 여기에 고급 디코딩 및 자극 알고리즘을 더함으로써, 우리는 뇌와 AI 시스템이 연구뿐 아니라 인류에게 유익한 방향으로 원활하게 상호 작용하는 미래를 향해 나아가고 있습니다."라고 셰퍼드는 말합니다. "이는 뇌 질환 치료 방식, 기계와의 상호 작용 방식, 그리고 궁극적으로 인간이 AI와 소통하는 방식을 바꿀 수 있을 것입니다."

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/12/251209234139.htm