뇌졸중으로 18년간 말을 못 한 사지마비 환자가 뇌에 이식한 BCI 전극으로 뇌 활동 신호를 해석해 의사소통할 수 있게 하는 장치가 개발됐다. 게티이미지뱅크 제공.

뇌졸중으로 18년간 말을 못 한 사지마비 환자가 뇌에 이식한 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI‧Brain-Computer Interface) 전극으로 뇌 활동 신호를 해석해 의사소통할 수 있게 하는 장치가 개발됐다. 

미국 버클리 캘리포니아대(UC 버클리)와 미국 샌프란시스코 캘리포니아대(UCSF) 공동 연구팀은 뇌의 언어활동 신호를 인공지능(AI)으로 해석하고 실시간으로 음성으로 변환해서 사지마비 환자가 거의 실시간으로 의사소통을 할 수 있는 장치를 개발했다고 1일(현지시간) 네이처 신경과학(Nature Neuroscience)에 밝혔다. 

뇌 신호를 해석해 사람이 말하려는 내용을 파악하고 이를 음성으로 변환하는 BCI 기술은 현재 활발히 연구되고 있다. 문제는 현재 사용자 생각과 컴퓨터 음성 출력 사이에 보통 수 초간의 지연이 발생함으로써 자연스러운 의사소통이 어렵다는 점이다. 

연구팀은 뇌 활동 신호를 해석하는 AI 알고리즘을 만들었다. 뇌졸중을 겪은 뒤 18년 동안 말을 할 수 없었던 한 사지마비 환자의 뇌 언어 감각 운동 피질(speech sensorimotor cortex) 표면에 253채널의 고밀도 피질 뇌파 측정 전극을 이식했다. 1024개 어휘로 구성된 문장을 말하는 생각을 하게 하고 뇌 활동 신호를 기록했다.

예를 들어 프롬프터로 '안녕하세요?'라는 문구를 보여주고 속으로 그 문장을 말하도록 한 다음 뇌에서 생각이 발음으로 변환되는 곳과 그 운동을 제어하는 곳 사이에서 발생하는 신호를 수집하고 이를 이용해 AI 알고리즘을 훈련했다.

훈련한 AI 알고리즘과 BCI 전극을 이용해 환자가 문장을 생각한 뒤 0.08초 시간 지연을 두고 생각을 음성으로 읽어내는 데 성공했다. 컴퓨터가 합성한 목소리는 여성이 뇌졸중으로 쓰러지기 전 녹음된 음성을 기반으로 재현했다.

연구팀은 환자가 훈련 중에 학습하지 않았던 단어도 인식해 음성을 만들어낼 수 있고 환자의 생각을 읽고 이를 음성으로 생성하는 것 사이에 수 초간의 지연 없이 연속적으로 작동할 수 있는 것으로 나타났다고 밝혔다.

더 많은 참가자를 대상으로 한 추가 연구가 필요하지만 연구팀이 개발한 BCI 기술은 잠재적으로 언어 상실 마비 환자가 실시간으로 더 자연스럽게 말하고 삶의 질을 개선하는 데 도움이 될 수 있을 것으로 보인다. 

논문 공동 교신저자인 에드워드 창 UCSF 교수는 '최근 AI 발전으로 가까운 미래에 실제 사용할 수 있는BCI 기술 발전이 가속화하고 있는 것은 매우 고무적인 일'이라면서 '이 기술은 언어에 영향을 미치는 중증 마비 환자의 삶의 질을 개선할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있다'고 강조했다.

<참고자료>
-https://doi.org/10.1038/s41593-025-01905-6