VOL.110 · June 29 · 2018
시냅스소자창의연구실 정상돈 실장, 김용희 책임연구원
신경전극과 인체의 연결은 장애로 거동이 어려운 환자들을 치료하는 영화 같은 일을 선물할 것이다. 하지만 사람의 몸과 전극을 연결하는 연구는 멀고도 험난하다. 그런데도 불구하고 신경전극 연구와 뇌신경 신호를 활용하기 위해 오랜 세월을 쏟아 부은 연구자들이 있다. 고된 연구과정에서도 따뜻한 ICT 구현의 꿈을 가지고 달려온 ETRI 시냅스소자창의연구실 정상돈 실장, 김용희 책임연구원이다. 그들을 함께 만나보자.
| ‘시냅스소자창의연구실’의 역사는 2004년부터 시작됐다. 당시 전주 예수병원 신경외과는 뇌졸중 환자의 뇌에 전극을 이식하고, 목발에 의지해 걷게 하는 데 성공했다. 정상돈 실장은 예수병원에서 진행된 뇌졸중 환자 치료를 소개받고 앞으로 나아갈 길을 선택했다. |
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| 정상돈 실장 |
| “당시 뇌에 전기 자극을 가했더니 수술 후 뇌졸중 환자가 연필도 잡고, 종이도 잡을 수 있을 만큼 발전했어요. 그때는 전문가들이 환자가 나아지는 정도를 육안으로 관찰하는 형태였죠. 하지만 육안으로는 상태를 정확히 확인할 수 없어요. 뇌에 자극을 주기 전과 후 상태를 정확히 아는 것이 핵심입니다. 그러기 위해 뇌 활동을 정확히 모니터링 할 수 있는 기술이 필요하다는 점에서 연구를 출발했어요.” |
| 물론 연구 과정이 쉽지 않았다. 경험이 거의 없는 연구였기 때문에 도전을 거듭하는 일상이 반복됐고, 2008년 2월 ‘신경계인터페이스연구팀’으로 정식 출발하게 됐다. 그리고 마침내 2014년 시냅스소자창의연구실로 명칭이 바뀌면서 현재는 연구 장비를 국산화하고, 수출까지 넘볼 수 있을 정도의 기술력을 갖게 됐다. |
| ‘시냅스소자창의연구실’의 역사는 2004년부터 시작됐다. 당시 전주 예수병원 신경외과는 뇌졸중 환자의 뇌에 전극을 이식하고, 목발에 의지해 걷게 하는 데 성공했다. 정상돈 실장은 예수병원에서 진행된 뇌졸중 환자 치료를 소개받고 앞으로 나아갈 길을 선택했다. | |
| 정상돈 실장 |
“당시 뇌에 전기 자극을 가했더니 수술 후 뇌졸중 환자가 연필도 잡고, 종이도 잡을 수 있을 만큼 발전했어요. 그때는 전문가들이 환자가 나아지는 정도를 육안으로 관찰하는 형태였죠. 하지만 육안으로는 상태를 정확히 확인할 수 없어요. 뇌에 자극을 주기 전과 후 상태를 정확히 아는 것이 핵심입니다. 그러기 위해 뇌 활동을 정확히 모니터링 할 수 있는 기술이 필요하다는 점에서 연구를 출발했어요.” |
| 물론 연구 과정이 쉽지 않았다. 경험이 거의 없는 연구였기 때문에 도전을 거듭하는 일상이 반복됐고, 2008년 2월 ‘신경계인터페이스연구팀’으로 정식 출발하게 됐다. 그리고 마침내 2014년 시냅스소자창의연구실로 명칭이 바뀌면서 현재는 연구 장비를 국산화하고, 수출까지 넘볼 수 있을 정도의 기술력을 갖게 됐다. | |
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| 김용희 책임연구원 |
| “신경자극용 전극을 보시면 30마이크로미터(㎛) 크기의 전극이 64개 들어있습니다. 여기에 뇌 신경조직을 놓고 자극을 주었을 때 자극효율이 좋지 않으면, 전기 자극이 신경조직을 손상시켜요. 이 때문에 전기 자극을 가했을 때 손상되지 않고 안정적으로 신경조직을 자극할 수 있는 전극이 필요했어요. 고심 끝에 저희는 전극의 표면을 바꿔봤습니다. 다공성 금과 자극 효율이 좋은 물질로 알려진 이리듐(Ir) 산화물 나노박막을 결합해 신경세포에 전기 자극이 가능한 신경전극 구조를 만들게 됐죠. 현재 저희가 개발한 신경자극용 전극은 자극 전압이 주입되는 효율을 15%에서 25%까지 끌어올렸습니다. 이로써 가장 최근 리뷰 논문에 게재된 기술로, 세계에서 가장 높은 효율을 자랑합니다.” |
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| 정상돈 실장 |
| “현재 미국에서는 팔이 절단된 사람에게 보철을 연결시켜 생각으로 제어하는 연구를 진행 중입니다. 하지만 이것도 1년 이상 유지하는 것도 어려워요. 계속 수술해야 하기 때문입니다. 인체 내에 많은 금속 이온들이 존재하는 데 이를 전해질이라고 합니다. 전해질은 전극을 손상시키는 역할을 해요. 이 때문에 1년 이상 넘게 가는 전극이 전 세계적으로 확보가 안 된 상태입니다. 그 문제를 해결하고자 연구한 것이 바로 ‘고신뢰성 유연 신경전극’입니다.” |
| 금과 테플론 필름을 사용한 생체친화적인 유연 신경전극은 몸에 들어가도 거부반응을 일으킬만한 요소가 전혀 없다. 또한 부식성이 없다는 점에서 굉장히 높은 안정성을 띤다. 신경자극용 전극이 세계 최고 효율성을 확보했듯이 유연 신경전극에도 똑같은 효율성을 적용했기 때문에 전극의 재료 측면에서도 굉장히 안정적이고 성능 면에서도 최고 수준을 구현하고 있다. |
| 김용희 책임연구원 |
“신경자극용 전극을 보시면 30마이크로미터(㎛) 크기의 전극이 64개 들어있습니다. 여기에 뇌 신경조직을 놓고 자극을 주었을 때 자극효율이 좋지 않으면, 전기 자극이 신경조직을 손상시켜요. 이 때문에 전기 자극을 가했을 때 손상되지 않고 안정적으로 신경조직을 자극할 수 있는 전극이 필요했어요. 고심 끝에 저희는 전극의 표면을 바꿔봤습니다. 다공성 금과 자극 효율이 좋은 물질로 알려진 이리듐(Ir) 산화물 나노박막을 결합해 신경세포에 전기 자극이 가능한 신경전극 구조를 만들게 됐죠. 현재 저희가 개발한 신경자극용 전극은 자극 전압이 주입되는 효율을 15%에서 25%까지 끌어올렸습니다. 이로써 가장 최근 리뷰 논문에 게재된 기술로, 세계에서 가장 높은 효율을 자랑합니다.” |
| 정상돈 실장 |
“현재 미국에서는 팔이 절단된 사람에게 보철을 연결시켜 생각으로 제어하는 연구를 진행 중입니다. 하지만 이것도 1년 이상 유지하는 것도 어려워요. 계속 수술해야 하기 때문입니다. 인체 내에 많은 금속 이온들이 존재하는 데 이를 전해질이라고 합니다. 전해질은 전극을 손상시키는 역할을 해요. 이 때문에 1년 이상 넘게 가는 전극이 전 세계적으로 확보가 안 된 상태입니다. 그 문제를 해결하고자 연구한 것이 바로 ‘고신뢰성 유연 신경전극’입니다.” |
| 금과 테플론 필름을 사용한 생체친화적인 유연 신경전극은 몸에 들어가도 거부반응을 일으킬만한 요소가 전혀 없다. 또한 부식성이 없다는 점에서 굉장히 높은 안정성을 띤다. 신경자극용 전극이 세계 최고 효율성을 확보했듯이 유연 신경전극에도 똑같은 효율성을 적용했기 때문에 전극의 재료 측면에서도 굉장히 안정적이고 성능 면에서도 최고 수준을 구현하고 있다. | |
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| 정상돈 실장 |
| “전신마비 환자에 신경전극을 이식하여 생각만으로 컴퓨터를 작동할 수 있는 기술은 개념증명이 완료되었지만, 전극에 내구성이 오래가지 않기 때문에 수술을 반복해야 하는 문제가 있었죠. 그래서 저희 연구팀에서 안정성과 이식 내구성이 높은 전극을 개발한 것입니다. 또 인공 망막에 시신경을 자극하는 전극으로도 활용 가능하며, 배뇨장애, 척추통증 등 응용 분야가 굉장히 광범위합니다.” |
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| 김용희 책임연구원 |
| “또 내구성이 강하기 때문에 체내에 삽입하는 것은 물론, 극한환경에서도 활용할 수 있습니다. 웨어러블 센서, 인공스킨 등 모든 센서에 다양하게 쓰일 수 있는 전극입니다.” |
| 신경전극은 전 세계적으로 파킨슨병과 인공와우에 가장 많이 시술되고 있다. 현재는 전극의 내구성 문제로 이 두 분야를 제외하고는 보급이 그리 빠른 편은 아니다. 하지만 시냅스소자창의연구실이 내구성을 높이는 절차를 거쳐 검증하게 되면, 우리나라에서도 신경조절 시장이 생길 수 있다. 현재 우리나라에는 신경전극을 개발하는 회사가 아직 없지만, 이런 기업이 탄생할 수 있도록 원천기술을 개발하고 상용화를 지원하는 것이 시냅스소자창의연구실의 임무이기도 하다. |
| 정상돈 실장 |
“전신마비 환자에 신경전극을 이식하여 생각만으로 컴퓨터를 작동할 수 있는 기술은 개념증명이 완료되었지만, 전극에 내구성이 오래가지 않기 때문에 수술을 반복해야 하는 문제가 있었죠. 그래서 저희 연구팀에서 안정성과 이식 내구성이 높은 전극을 개발한 것입니다. 또 인공 망막에 시신경을 자극하는 전극으로도 활용 가능하며, 배뇨장애, 척추통증 등 응용 분야가 굉장히 광범위합니다.” |
| 김용희 책임연구원 |
“또 내구성이 강하기 때문에 체내에 삽입하는 것은 물론, 극한환경에서도 활용할 수 있습니다. 웨어러블 센서, 인공스킨 등 모든 센서에 다양하게 쓰일 수 있는 전극입니다.” |
| 신경전극은 전 세계적으로 파킨슨병과 인공와우에 가장 많이 시술되고 있다. 현재는 전극의 내구성 문제로 이 두 분야를 제외하고는 보급이 그리 빠른 편은 아니다. 하지만 시냅스소자창의연구실이 내구성을 높이는 절차를 거쳐 검증하게 되면, 우리나라에서도 신경조절 시장이 생길 수 있다. 현재 우리나라에는 신경전극을 개발하는 회사가 아직 없지만, 이런 기업이 탄생할 수 있도록 원천기술을 개발하고 상용화를 지원하는 것이 시냅스소자창의연구실의 임무이기도 하다. | |
| 마지막 질문을 했을 때 정상돈 실장은 영국의 수학자 ‘앨런 튜링(Alan Turing)’을 언급했다. 앨런 튜링은 2차 세계대전 때 하드웨어로 독일 암호해독기계를 개발한 사람으로 인공지능의 창시자로 불린다. |
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| 정상돈 실장 |
| “앨런 튜링은 ‘튜링 테스트(Turing Test)’라는 인공지능 판별법을 제안했습니다. 그는 논문을 통해 인간과 컴퓨터를 구별하지 못하거나 컴퓨터를 인간으로 간주하게 된다면 해당 기계는 인간처럼 사고할 수 있는 것으로 본다고 예견했어요. 그런 것처럼 저희는 ‘뉴로모픽’이라는 인간의 뇌를 모방한 인공신경망 반도체 칩을 뇌에 연결해 뇌 신호 추출을 통한 신경망 시스템과 양방향 통신을 하는 것이 최종 목표입니다. 전기 자극에 의한 결과를 치료에도 사용하고, 인공신경망에도 연결해 학습의 길을 열기 위한 시도를 하고 있습니다.” |
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| 김용희 책임연구원 |
| “이제는 뇌의 기능을 이해하는 것이 뇌 과학자들만의 몫은 아니라고 생각합니다. ICT 연구자들도 본격적인 뇌 연구를 해야 한다고 생각해요. 뇌를 이해하는 관점에서 뇌 과학도 중요하지만, 뇌의 기능을 잘 알기 위한 인터페이스 개발도 중요한 목표라고 생각합니다.” |
| 뉴로모픽이란 실제 뇌와 비슷한 기능을 반도체 칩으로 구현하는 것이다. 사람의 뇌는 아직도 알 수 없는 상태이기 때문에 뉴로모픽 소자나 시스템을 개발해 뇌와 연결해 의미 있는 대화가 가능한지 확인하는 것이 시냅스소자창의연구실의 궁극적인 목표다. |
| 마지막 질문을 했을 때 정상돈 실장은 영국의 수학자 ‘앨런 튜링(Alan Turing)’을 언급했다. 앨런 튜링은 2차 세계대전 때 하드웨어로 독일 암호해독기계를 개발한 사람으로 인공지능의 창시자로 불린다. | |
| 정상돈 실장 |
“앨런 튜링은 ‘튜링 테스트(Turing Test)’라는 인공지능 판별법을 제안했습니다. 그는 논문을 통해 인간과 컴퓨터를 구별하지 못하거나 컴퓨터를 인간으로 간주하게 된다면 해당 기계는 인간처럼 사고할 수 있는 것으로 본다고 예견했어요. 그런 것처럼 저희는 ‘뉴로모픽’이라는 인간의 뇌를 모방한 인공신경망 반도체 칩을 뇌에 연결해 뇌 신호 추출을 통한 신경망 시스템과 양방향 통신을 하는 것이 최종 목표입니다. 전기 자극에 의한 결과를 치료에도 사용하고, 인공신경망에도 연결해 학습의 길을 열기 위한 시도를 하고 있습니다.” |
| 김용희 책임연구원 |
“이제는 뇌의 기능을 이해하는 것이 뇌 과학자들만의 몫은 아니라고 생각합니다. ICT 연구자들도 본격적인 뇌 연구를 해야 한다고 생각해요. 뇌를 이해하는 관점에서 뇌 과학도 중요하지만, 뇌의 기능을 잘 알기 위한 인터페이스 개발도 중요한 목표라고 생각합니다.” |
| 뉴로모픽이란 실제 뇌와 비슷한 기능을 반도체 칩으로 구현하는 것이다. 사람의 뇌는 아직도 알 수 없는 상태이기 때문에 뉴로모픽 소자나 시스템을 개발해 뇌와 연결해 의미 있는 대화가 가능한지 확인하는 것이 시냅스소자창의연구실의 궁극적인 목표다. | |
시냅스소자창의연구실의 목표는 전기 자극을 줬을 때 신경세포가 새로운 기능을 학습하는 원리를 깨우치는 것이다. 이에 따라 뇌신경과 ICT가 서로 소통하는 인터페이스 기반을 마련하기 위해 연구진들은 불철주야 노력 중이다. 이들은 따뜻한 뇌신경-ICT 구현의 꿈을 가지고 뇌신경 질환 회복은 물론, 궁극적인 ‘뉴로모픽’ 연구를 향해 조금씩 전진중이다. 이 기술이 구현될 때 공상과학영화의 소재로 여겨지던 일들이 우리 일상으로 가까이 다가올 것이다.
