생각만으로 글 쓰는 시대 올까? 뇌-컴퓨터 인터페이스 혁명

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 분야 최신 연구와 미래 전망

개발자 그리고 작가의 삶을 살아가면서 매일 밤 서재에서 이런 상상을 합니다. ‘머릿속 생각만으로 글을 쓸 수 있으면 얼마나 좋을까?’ 그런데 이 단순한 상상이 사실은 인류가 오랫동안 꿈꿔온 기술적 도전이었죠. 더 놀라운건 공상영화에서만 가능했던 그 기술이 이제는 현실이 되어가고 있다는 점입니다.

과학기술의 역사는 언제나 인간의 한계를 뛰어넘는 도구를 만들어 온 여정이었습니다. 바퀴는 우리의 이동 능력을, 망원경은 시력을, 컴퓨터는 계산 능력을 확장했어요. 그리고 지금, 우리는 또 다른 경계 위에 서 있습니다. 바로 ‘생각’이라는 가장 사적인 영역과 디지털 세계를 직접 연결하는 기술이 등장한 것이죠!

"상상만 하면 현실이 된다면 어떨까요?”

영화 '월터의 상상은 현실이 된다'에서 주인공 월터 미티는 지루한 일상에서 벗어나 풍부한 상상의 나래를 펼치며 관객들의 마음을 사로잡았습니다. 히말라야의 설산을 정복하기도 하고, 깊은 바닷속을 탐험하기도 하면서 단지 ‘생각’만으로 평범한 현실을 놀라운 모험으로 변화시킨 멋진 영화죠.

그런데 영화 속 그 상상의 영역이 이제는 SF 영화의 스크린을 넘어 우리 곁으로 성큼성큼 다가오고 있습니다. 생각만으로 타이핑을 하고, 머릿속에 담긴 아이디어를 곧장 디지털 캔버스 위에 그리며, 말을 하지 않아도 컴퓨터에 명령을 내리는 기술이 현실로 이루어지고 있기 때문이죠. 과학자들이 수십 년간 꿈꿔온 인간의 두뇌와 기계 사이의 직접적인 소통 기술, 이른바 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스’(Brain-Computer Interface, 이하 BCI)가 마침내 실험실을 벗어나 우리의 일상을 야금야금 침범해오고 있다고 합니다.

복잡한 뇌 신호에서 의미를 추출해내는 이 기술은 말 그대로 ‘생각만으로 타이핑하는 것’을 가능하게 합니다. 영화 속 주인공 ‘월터 미티’가 상상 속에서 경험했던 것처럼, 우리 역시 곧 생각만으로 디지털 세계와 소통하고 아이디어를 실현하게 될지도 몰라요. 정말 키보드 없이 컴퓨터를 사용하고, 마우스 없이 인터넷 쇼핑을 할 수 있는 날이 오게 될지도 모르죠. 그렇게 된다면 미래의 여러분은 컴퓨터 앞에서 씨름하는 대신 SF 영화 속 등장인물들처럼 인공지능과 함께 무엇이든 자유롭게 해낼 수 있을 거예요. 회의시간에도 생각만으로 회의록을 작성하고, 수업시간에도 필기구 하나 없이 듣는 내용을 생각만으로 정리해 온라인 노트에 전송할 수 있다면, 지금보다 훨씬 뛰어난 생산성을 갖게 될 겁니다.

이 놀라운 상상이 현실이 되는 이야기 속으로 함께 떠나볼까요?

연구1. 머릿속 ‘칩’ 없이, 뇌파에서 문장을 읽다

메타(Meta) 연구팀은 스페인의 바스크 인지·뇌·언어 센터(Basque Center on Cognition, Brain and Language)와 협력하여 MEG(자기뇌파검사)와 EEG(뇌전도검사)를 활용해 35명의 건강한 자원자들의 뇌 활동을 기록했어요. 참가자들이 문장을 타이핑하는 동안 나타나는 뇌 신호를 인공지능 모델이 분석했고, 이를 통해 최대 80%의 정확도로 원본 문자를 재구성하는 데 성공했죠. 연구진에 따르면, 이는 기존 EEG 시스템과 비교해 최소 2배 이상 향상된 성능이라고 합니다. 

이 연구의 핵심은 ‘비침습적 방법’을 사용했다는 점이에요. 비침습적 방법이란, 쉽게 말해 머리에 칩을 삽입하기 위해 구멍을 뚫지 않아도 된다는 뜻입니다. MEG와 EEG는 모두 두피 표면이나 그 주변에서 뇌 활동을 측정하는 기술이에요. EEG는 두피에 전극이 부착된 캡(cap)을 쓰는 방식이고, MEG는 머리 주변에 특수 센서가 장착된 헬멧 형태의 장비를 사용한다고 해요. 두 방법 모두 일상적인 헤드셋처럼 착용했다가 필요 없으면 바로 제거할 수 있어서, 굳이 생각을 읽기 위해 신체를 손상할 필요가 없다는 점이 매력적이죠.

기존의 연구는 주로 뇌에 전극을 직접 삽입하는 침습적 방법에 의존했다고 해요. 이 방식은 정확도는 높지만 신경외과적 시술이 필수적이고 감염 위험이 있으며, 대규모로 활용하기 어렵다는 한계가 있었죠. 단지 생각 하나 읽으려고 머리에 구멍을 낸다니, 상상조차 하기 어려운 일이잖아요?

반면, MEG와 EEG는 두피 외부에서 뇌의 활동을 측정하는 방식이라 신호에 노이즈(noise)가 많고 매우 복잡해서, 지금까지는 높은 정확도를 얻기가 어려웠어요. 하지만 메타 연구팀은 최신 인공지능 기술을 활용해 이러한 한계를 극복했고, 그 결과 비침습적 방법을 통해서도 정확한 텍스트 디코딩(decoding)이 가능하다는 점을 입증했습니다.

말하지 않고 생각을 전할 수 있다면?

이 기술이 완성되면 뇌 손상으로 의사소통 능력을 잃은 수백만 명에게 새로운 소통 수단이 제공될 수 있어요. 뇌졸중, 루게릭병(ALS), 다발성 경화증, 외상성 뇌 손상 등으로 말하거나 움직이는 것이 불가능한 환자들이, 자신의 생각을 직접 텍스트로 표현할 수 있게 되는 거죠.

현재 이러한 환자들을 위한 보조 의사소통 장치는 대부분 눈의 움직임이나 근육의 신호를 이용하지만, 이마저도 불가능한 환자들이 많아요. 스티븐 호킹 박사의 경우처럼 안면 근육의 미세한 움직임으로 컴퓨터를 조작할 수 있는 사람은 그야말로 소수에 불과했답니다.

영화 <잠수종과 나비> 에서 감금증후군(locked-in syndrome)에 걸린 주인공 ‘장 도미니크 보비’는 뇌졸중 이후 왼쪽 눈꺼풀만 깜빡일 수 있는 상태가 되었어요. 그는 간병인이 알파벳을 하나씩 읽어줄 때 자신이 원하는 글자가 나오면 눈을 깜빡여 단어를 만들어 내는 방식으로 한 권의 책을 집필했습니다.

만약 비침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스가 있었다면, 단지 말하고 싶은 내용을 머릿속으로 생각하는 것만으로도 텍스트를 생성할 수 있었겠죠. 이는 단순한 편의성의 향상이 아니라, 많은 환자들에게 잃어버린 목소리를 되찾아주는 근본적인 변화를 의미한답니다.

연구2. 생각에서 단어로, ‘뇌’의 움직임을 읽다

메타 연구팀의 두 번째 연구는 더욱 흥미진진해요. 그들은 AI(인공지능)를 활용하여 인간의 뇌가 생각을 언어로, 그리고 타이핑이라는 행동으로 변환하는 과정을 밝혀냈어요. 초당 1,000개의 뇌 스냅샷(snapshot)을 촬영함으로써, 생각이 단어나 음절, 개별 글자로 전환되는 정확한 순간을 포착할 수 있게 되었죠.

이 연구는 뇌가 먼저 문장의 의미와 같은 가장 추상적인 수준에서 시작하여, 점진적으로 실제 타이핑 동작으로 변환하는 일련의 표현을 생성한다는 것을 보여줍니다. 또한 뇌가 ‘동적 신경 코드(dynamic neural code)’라는 특별한 메커니즘을 사용해 연속적인 표현들을 서로 연결하면서도 각각을 장기간 유지한다는 사실도 밝혀냈어요.

이 발견은 단순히 기술적인 돌파구를 넘어, 인간 언어와 사고의 본질에 대한 깊은 통찰을 제공합니다. 우리가 어떻게 추상적인 생각을 구체적인 단어와 문장으로 바꾸는지, 또 이 과정이 어떻게 두뇌의 다양한 영역 간 조율을 통해 이루어지는지를 이해하는 데 크게 기여하죠.

연구팀은 이렇게 설명합니다.
 

“사람이 말을 할 때 뇌가 어떻게 작동하는지를 연구하는 건 신경과학에서 늘 어려운 과제였어요. 입이나 혀를 움직이는 과정이 뇌 영상 신호를 많이 방해하기 때문이죠. 그래서 이번 연구에선 말 대신 타이핑을 하게 해서, 이런 기술적인 문제를 피하고 언어를 만들어내는 뇌의 작동 방식을 더 잘 들여다볼 수 있었습니다.”

실용화를 위한 도전 과제

이 혁신적인 기술에도 불구하고, 실제 임상 환경에서 적용되기까지는 아직 여러 도전 과제가 남아 있어요.

1. 정확도와 성능의 한계

현재 문자 정확도가 80%라는 큰 발전을 이루었지만, 실용적으로 원활히 소통하기에는 충분하지 않을 수 있습니다. 특히 중요한 의학적 결정을 내리거나 복잡한 대화를 나눌 때는 훨씬 더 높은 정확도가 요구되죠. 예를 들어 친구와 대화할 때 80%만 알아듣는다면 많이 답답할 수밖에 없겠죠. 그래서 연구팀은 더 큰 데이터셋(dataset)과 개선된 AI 모델을 구축하여 이 정확도를 더욱 높이는 방법을 연구 중이라고 합니다.

2. 기술적 제약사항

MEG는 자기적으로 차폐된 특수한 방에서 참가자가 거의 움직이지 않은 상태로 측정해야 하는 제약이 있어요. 이는 실용성과 편의성에 큰 제한을 가져옵니다. 우리가 마치 블루투스 키보드를 사용하듯 편리하게 이용할 수 있다면 좋겠지만, 아직은 특별한 장치 안에서 측정해야 하기 때문에 일상적인 활용은 사실상 불가능한 상황이죠. 그래서 연구팀은 보다 휴대가 가능하고 일상 환경에서도 쓸 수 있는 뇌 활동 측정 장치 개발을 목표로 하고 있다고 합니다.

3. 개인별 차이와 적응성

뇌의 신경 패턴은 사람마다 큰 차이가 있다고 합니다. 현재의 연구는 각 참가자별로 모델을 개별적으로 훈련시켜 사용했지만, 실제로 실용화하려면 보다 일반화할 수 있는 모델이나 짧은 보정 과정만으로도 개인에게 빠르게 적응 가능한 시스템이 필요하죠. 저처럼 평소 생각이 많은 사람이 사용하려면, 이런 부분의 발전이 조금 더 필요할 것으로 보이네요.

4. 임상 환경으로의 전환

현재 연구는 건강한 자원자들과 함께 진행되었지만, 실제 신경학적 손상이 있는 환자들에게 적용하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다고 해요. 뇌 손상은 신경 활동 패턴을 변화시킬 수 있으며, 이는 디코딩 알고리즘의 효과에 영향을 미칠 수 있다고 해요. 앞서 말한 ‘장도미니크 보비’외에도 뇌가 손상된 분들을 위해서는 좀 더 연구가 필요로 할 거 같아요.

5. 윤리적 고려사항

생각을 읽는 기술은 프라이버시와 인지적 자유에 관한 중요한 윤리적 질문을 제기해요. 영화에서처럼 만약 누군가를 납치하고 이 장치를 씌운다면, 그 사람의 모든 비밀을 쉽게 알아낼 수도 있겠죠? 이처럼 기술이 악용될 우려가 있기 때문에, 연구팀은 이 기술을 반드시 사용자의 명시적 동의와 통제 아래에서만 사용할 수 있도록 해야 한다고 강조해요. 또한 개인의 사고 프라이버시를 철저히 보호하기 위한 강력한 안전장치를 개발하는 데도 주력하고 있다고 합니다.

뇌-컴퓨터 인터페이스의 미래 전망

이러한 도전 과제에도 불구하고, 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술은 빠르게 발전하고 있으며, 미래에는 다양한 분야에서 혁명적인 변화를 가져올 것으로 예상돼요.

1. 의학적 응용

가장 직접적으로 활용 가능한 분야는 의사소통 장애를 가진 환자들을 위한 보조 기술이에요. 그뿐 아니라 뇌-컴퓨터 인터페이스는 신경 재활, 의수와 의족의 제어, 심지어 뇌 손상 이후 손실되었던 인지 기능의 복원에도 활용될 수 있어요.

2. 인간과 컴퓨터 상호작용의 새 패러다임

더 먼 미래에는 이 기술이 일반 사용자를 위한 새로운 인터페이스 방식으로 발전할 수도 있어요. 키보드나 마우스, 심지어 음성 명령보다 더 직관적이고 빠른 방식으로, 단순히 생각만으로 디지털 환경과 소통할 수 있을 거란 기대가 있습니다.
 

3. 온라인

더 나아가, 이 방식은 인간의 인지 능력 자체를 확장하는 도구로 발전할 수도 있어요. 모든 사람의 생각과 생각이 연결되는 거대한 온라인 체계가 구축될 수 있다는 가능성도 있죠. 이렇게 되면 다른 사람의 생각에 직접  접근하는 형태의 통신이 가능해질 수 있고, 이는 엄청난 혁신으로 이어질 수 있겠죠.

4. 새로운 창작과 표현의 형태

예술과 창작 분야에서도 이 기술은 흥미로운 가능성을 제시해요. 음악가, 아티스트, 작가들이 자신의 창의적인 생각을 중간 매체 없이 곧바로 디지털 형태로 표현할 수 있게 되는 거죠. 머릿속에 떠올린 이미지가 즉시 캔버스에 나타나거나, 상상 속 멜로디가 즉각 음악으로 변환되는 세상이라니, 이렇게 되면 정말 ‘영감’이 그 어느 때보다 중요한 시대가 될 것 같아요.

BCI 분야 글로벌 선두주자들

메타의 뇌 신호 디코딩 연구 말고도, 지금 전 세계 여러 연구팀들이 뇌-컴퓨터 인터페이스 분야에서 정말 혁신적인 기술들을 만들어내고 있어요. 이 기술들은 서로 접근 방식이나 세부 목표는 조금씩 다르지만, 모두 우리 머릿속 생각과 디지털 세계를 직접 이어주는 다리를 놓으려는 꿈을 함께 꾸고 있죠.

1. 뉴럴링크(Neuralink)의 침습적 BCI

일론 머스크가 설립한 뉴럴링크(Neuralink)는 현재 가장 야심찬 뇌-컴퓨터 인터페이스 프로젝트 중 하나예요. 이 회사는 2023년 5월 미국 식품의약국(FDA)으로부터 인간에게 임상실험을 할 수 있도록 승인을 받았으며, 2024년 초 최초의 인간 대상 임상 시험을 시작했어요. 다만 뉴럴링크의 접근 방식은 수천 개의 미세한 전극 실(thread)이 장착된 동전 크기의 임플란트를 뇌에 직접 삽입하는 침습적 방식을 사용해요.

뉴럴링크의 초기 목표는 사지마비 환자들이 생각만으로 컴퓨터를 제어할 수 있도록 돕는 것이에요. 하지만 장기적인 관점에서는 인간 뇌와 인공지능의 ‘공생(symbiosis)’을 촉진하는 것을 목표로 하고 있다고 합니다.

2. DARPA의 N3 프로그램

미 국방고등연구계획국(DARPA)의 비침습적 비외과적 신경기술(Non-surgical Neurotechnology, N3) 프로그램은 수술하지 않고도 고정밀 뇌-컴퓨터 인터페이스를 구현할 수 있는 기술 개발을 목표로 하고 있어요. 이 프로그램은 초음파, 광학, 전자기적 방법 등을 활용하여 뇌의 개별 뉴런(neuron) 수준에서 신호를 읽고 쓰는 기술을 연구하고 있습니다.
 

DARPA의 접근 방식은 비침습적이면서도 높은 시공간적 해상도를 달성하는 게 핵심 목표예요. 만약 이 프로그램이 성공한다면 군사적 활용 외에도 민간 의료와 소비자 기술 분야에 혁신적인 영향을 미칠 것으로 기대돼요.

3. 브라운 대학의 브레인게이트(BrainGate)

브레인게이트(BrainGate)는 브라운 대학교를 중심으로 매사추세츠 종합병원(MGH), 하버드 의대, 스탠퍼드 대학교, Providence VA 등이 참여하는 연구 컨소시엄으로, 침습형 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 통해 마비 환자들이 생각만으로 로봇 팔을 제어하거나 컴퓨터 커서 등을 조작할 수 있는 기술을 개발하고 있어요.

2021년에는 연구팀이 사지 마비 환자가 무선 BCI를 통해 태블릿을 제어하고 분당 약 90자의 텍스트를 입력할 수 있는 시스템을 시연하기도 했답니다.

4. MIT 미디어 랩의 알터에고(AlterEgo) 프로젝트

비록 직접적인 뇌-컴퓨터 인터페이스는 아니지만, MIT 미디어 랩(MIT Media Lab)의 알터에고(AlterEgo) 프로젝트는 사용자가 소리를 내지 않고도 말하려는 단어를 인식할 수 있는 기술을 개발했어요. 이 기술은 턱과 얼굴에 부착된 센서를 통해 내부 발화(internal vocalization) 시 일어나는 미세한 근육 움직임을 감지하는 방식이랍니다.
 

이러한 기술은 시끄러운 환경에서의 통신이나 개인 정보 보호가 필요한 상황에서의 의사소통, 그리고 음성 장애가 있는 사람들을 위한 보조 도구로도 활용될 수 있을 것으로 기대돼요.

생각의 힘을 해방하다

생각만으로 디지털 세계와 상호작용할 수 있는 미래는 이제 공상과학 영화의 영역을 넘어 현실로 성큼 다가오고 있어요. 메타의 최신 연구는 바로 그 여정에서 중요한 이정표를 세웠으며, 앞으로 수년 내에 더 많은 발전이 이루어질 것으로 기대를 모으고 있습니다.

비침습적 뇌-컴퓨터 인터페이스의 발전은 단순한 기술적 성취를 넘어, 인간 경험의 본질 자체를 변화시킬 놀라운 잠재력을 지니고 있어요. 의사소통의 장벽을 무너뜨리고, 인간의 창의성과 표현력을 확장하며, 나아가 인간 의식과 자아에 대한 우리의 이해를 근본적으로 재정의할 수 있을지도 모르죠.

물론 이러한 변화는 신중하게 탐색해야 할 윤리적, 사회적 도전을 수반합니다. 그러나 책임감을 가지고 개발하고 적절히 활용한다면, 이 기술은 인류에게 전례 없는 기회와 가능성의 문을 활짝 열어줄 거라 기대됩니다.

생각의 힘을 해방시키는 이 여정은 이제 막 시작되었어요. 우리가 이 기술을 어떻게 발전시키고 활용할지는 앞으로 미래에 큰 영향을 미칠 매우 중요한 질문이죠. 저는 특히 이 기술이 의료 분야에서 가져올 변화에 큰 기대를 걸고 있습니다. 의사소통 장애를 가진 사람들에게 자신의 목소리를 돌려줄 수 있다면, 그것만으로도 이 기술의 가치는 이미 충분하니까요. 나아가 이 기술이 우리 모두의 창의성과 표현력을 확장하는 도구로 발전한다면, 인류의 문화적, 지적 발전에도 크게 기여할 수 있으리라 생각합니다.

<출처>

• [meta] Using AI to decode language from the brain and advance our understanding of human communication
• [thieme-connect] Neuralink and Brain–Computer Interface—Exciting Times for Artificial Intelligence
• [battelle] Battelle Neuro Team Advances to Phase II of DARPA N3 Program
• [stanford] Stanford joins BrainGate team developing brain-computer interface to aid people with paralysis
• [tistory] MIT가 만든 생각읽는 웨어러블 장치 알터에고(Alterego)
• [dongascience] BCI 기술의네 가지 미래
• [tistory] 뇌-컴퓨터 인터페이스의 응용분야(applications in Brain-Computer Interfaces)
• [tistory] 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술의 발전과 미래
• [scienceon]“AI 뇌해독기로 생각읽는다”…美연구팀, fMRI로 생각읽기 성공
• [National Library of medicine] ]Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia

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