뇌-컴퓨터 인터페이스

뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 는마음-기계 인터페이스(MMI),직접 신경 인터페이스(DNI) 또는 뇌-기계 인터페이스(BMI)라고도 일컬어지며, 강화된 또는 유선의 뇌와 외부장치 간의 직접 통신경로이다. 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 는 종종 인간의 인지능이나 감각-운동 기능을 연구, 지도화, 지원, 보강, 복구쪽으로 이용된다.

뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 에 대한 연구는 1970 년에 미국 국립 과학 재단 (National Science Foundation)의 연구비로 미국 로스앤젤레스 소재 캘리포니아 대학 (UCLA) 에서 시작되었다. 이 연구 이후에 발표 된 논문은 또한 과학 문헌에서 뇌 - 컴퓨터 인터페이스로서는 첫번째였다.

그 이후, 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 연구개발 분야는 주로 손상된 청각, 시각 및 운동을 복원하는 것을 목표로 하는 신경기능 대체 분야에 주로 초점을 맞추고있다.놀라운 뇌 피질의 가소성 덕분에, 이식된 보철로부터의 신호는 적응 후, 자연 센서 또는 이펙터 채널처럼 뇌에서 처리될 수있다. 수년간의 동물실험 후, 1990 년대 중반에 첫번째 신경기능대체 기기가 인간에게 이식되었다.

역사

뇌-컴퓨터 인터페이스의 역사는 한스 버거 (Hans Burger)의 인간의 뇌의 전기적 활동의 발견과 뇌전도 (EEG)의 개발과 함께시작되었다. 1924년에 버거는뇌전도를 사용해 인간의 두뇌 활동을 최초로 기록했다. 버거는 뇌전도 추적을 분석하여 버거파나 알파파(8–13 Hz)와 같은 진동 활동을 식별할 수 있었다.

버거의 최초 기록 장치는 매우 초보적이었다.그는 환자들의 두피 아래 은으로 만든 와이어를 삽입했다. 이 와이어는 나중에 고무 붕대에 의해 환자의 머리에 부착되는 은으로 만든 호일로 대체되었다.버거는 이들 센서를 립만(Lippmann) 모세관 전위계에 연결했으나 실망스러운 결과를 얻었다.그러나, 볼트의 만분의 일만큼 작은 전기 전압조차 표시할 수 있는 지멘스 (Siemens) 이중 코일 기록 검류계와 같은더욱 정교한 측정 장치를 사용해 마침내 성공했다.

버거는뇌질환을 가진 뇌전도다이어그램들에서 관찰되는 변이들의 상호 관계를 분석했다.뇌전도는 인간의 뇌 활동의 연구를위한 완전히 새로운 가능성을 열었다. 자크비달은 "뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) "라는 용어를 만들어 냈고, 이 주제에 대해 첫번째로 동료 검토 간행물을 출판했다. 그 분야를 검토하고 논의하는 수많은 동료 검토 기사에 반영되었듯이, 비달은뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 분야에서 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 의 발명자로 널리 인식되고 있다. 비달의 첫 번째 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 는 사용자가 커서 방향을 제어 할 수 있도록 시각 유발 전위에 의존했고, 시각 유발 전위는 여전히 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) s에서널리 사용된다(Allison et al., 2010, 2012; Bin et al., 2011; Guger et al., 2012; Kaufmann et al., 2012; Jin et al., 2014; Kapeller et al., 2015).

초기 기여후, 비달은수년 동안 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 연구나 학회와 같은 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 이벤트에 적극적이지 않았다.그러나, 그는 2011 년 오스트리아의 그라츠에서미래 BNCI 프로젝트에서 지원을 받아,첫 번째 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 를 제시하는 강연을 했고 기립 박수를 받았다. 비달은UCLA에서 자신의 첫 번째 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 프로젝트를함께 했던라리스비달과 결혼했다.비달 교수는 캘리포이나아실로마에서2016년5월과 6월 사이에 예정된 여섯 번째 연례 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 미팅에서그의 초기 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 작업에 대해 강의할 예정이다.

뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 대 신경 기능 대체술

신경기능대체술은 손상된 신경계와 뇌관련 문제들 또는 감각기관의 기능을 대체할 인공 장치를 사용하는 신경 보철과 관련된 신경과학의 분야이다.

가장 널리 사용되는 신경기능 대체 장치는2010년 12월 현재, 전 세계적으로 약 220,000명에게 이식된 인공달팽이관이다. 또한, 망막 임플란트를 포함한 시각을 복원하는 것을 목표로 하는 여러 개의 신경기능대체 장치들도 있다.

뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 와 신경기능대체술의 차이점은 대부분용어가 사용되는 방법이다: 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 는 일반적으로 컴퓨터 시스템과 뇌 (신경계)를 연결하는 반면, 신경기능대체술은통상적으로, 신경계를 기기에 연결한다.

실용신경기능대체술은신경계 (예를 들면 말초 신경)의 어느 부분에든 연결될 수 있다. 반면, "뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) "용어는 보통 중추 신경계와 인터페이스하는 좀더 좁은 클래스의 시스템을 나타낸다.

그러나, 그 용어들은 때때로 상호교환적으로 사용된다. 신경기능대체술과뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 는 둘다 시각, 청각, 운동, 의사소통 능력과 심지어 인지 기능을 복원하는 것 같은 동일한 목표달성을 추구한다. 둘 다 비슷한 실험 방법과 수술 기법을 사용한다.

동물 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 연구

여러 연구소들은 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 를 작동하기 위해 움직임을 만들어내는 원숭이와 쥐의 대뇌피질로부터의 신호를 기록해 왔다.

원숭이들은 모터 출력 없이 단순히 작업에 대해 생각하고 시각적 피드백을 확인함을 통해,화면에서 컴퓨터 커서를 움직이고 로봇 팔들이 간단한 작업을 수행하도록 명령했다.

2008년 5월에피츠버그대학교 병원에서 생각만으로 로봇 팔을 작동시키는 원숭이를 보여주는 사진은 많은 저명한 과학 저널과 잡지에 게시되었다.고양이에 대한 다른 연구는 그들의 신경 영상 신호를 디코딩했다.

초기 연구

1969년 지역 영장류 연구 센터 및 시애틀 소재 워싱턴의과대학, 생리학 및 생물 물리학과에서 페츠와 동료들의자발적 조절기능에 대한 연구는 처음으로 원숭이들이 신경활동으로 바이오피드백 미터 팔의 편향을 제어하는 것을 배울 수 있음을 보여 주었다.

1970년대에 비슷한 연구는 원숭이들이 신경활동의 적절한 패턴을 생성할 때 보상을 받는다면, 일차 운동 피질에서 개별 및 여러 뉴런의 발사 속도를 자발적으로 제어하는 법을 신속히 배울 수 있음을 확립했다. 운동을 재구성하는 운동피질 뉴런들로부터 운동을 재구성하는 알고리즘을개려는 연구는 1970 년대로 거슬러 올라간다.

1980년대, 존스홉킨스 대학의 아포스톨스조고파울로스(ApostolosGeorgopoulos)는 붉은 털 원숭이들에서 하나의 운동 피질 뉴런의 전기적 반응과 그들이 (코사인 함수에 기반한)팔을 움직이는 방향 사이의 수학적 관계를 발견했다.

그는 또한 원숭이 뇌의 다른 영역에서 분산된 신경세포의 그룹들은 집합적으로 운동명령을 조절하지만, 장비의 기술적 한계 때문에, 한 번에 하나의 영역에서만 신경 세포의 발사를 기록 할 수 있었다는 것을 발견했다.

1990 년대 중반 이후 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 의 급속한 발전이 있었다. 여러 그룹에서 신경앙상블 (뉴런그룹)에서 기록하고 외부 장치를 제어하기 위해 이를 사용함에 의해 복잡한 뇌의 운동 피질 신호를 포착 할 수 있었다.

탁월한 연구 성과

케네디와 양 댄(Kennedy and Yang Dan)

필립 케네디 (1987년에 Neural Signals설립)와 동료들은 원숭이로 신경 영양강화-콘 전극을 이식함으로써 첫 번째내장피질 뇌-컴퓨터 인터페이스를 만들었다.

양 댄과 동료들의 측면 슬상관절핵 (geniculate nucleus)에 이식된 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 를 사용한 고양이 비전의 기록들 (맨 윗줄: 원본 이미지, 하단 행: 녹화)

1999년 캘리포니아 버클리 대학 소속 양 댄이 이끄는 연구진은 고양이가 보는 이미지를 재현하기 위해 신경 발사를 디코딩했다.

그 팀은 날카로운 눈을 가진 고양이의 (뇌의 모든 감각 입력을 통합하는) 시상에 이식된 전극 층을 사용했다.연구자들은 망막에서 신호를 디코딩하는 시상 측면 슬상관절핵(geniculate nucleus) 영역에 있는 177개의 뇌 세포를 표적으로 했다. 그 고양이들에게 여덟 개의 짧은 동영상을 보여주고, 그 들의 신경 발사를 기록했다.

수학 필터를 사용하여, 연구자들은 고양이가 본 동영상을 생성하는 신호를 디코딩했고 인식할 수 있는 장면과 움직이는 물체를 재구성 할 수 있었다. 인간에서 유사한 결과가 이후 일본 연구자들에 의해서도 달성되었다.

니코엘리스(Nicolelis)

미겔니콜리스 (Miguel Nicolelis) 노스캐롤라이나 더럼 소재 듀크 대학의 교수는 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 를 구동하는 신경 신호를 얻기 위해 뇌의 더 큰 영역에 걸쳐 여러 개의 전극을 사용하는 것에 대한 저명한 지지자였다.

1990 년대 쥐에서 초기 연구를 수행 한 후, Nicolelis와 그의 동료들은 올빼미 원숭이에서 뇌 활동을 디코딩하고로봇 팔로 원숭이의 움직임을 재현하는 장치를 사용하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 를 개발했다. 원숭이는 손을 뻗고 물건을 잡는 고급 능력과 좋은 손 조작기술을 가지고 있어, 이런 연구를 위한 이상적인 시험 대상이 되었다.

2000년까지 그 연구 그룹은 올빼미 원숭이가 조이스틱을 작동하거나 음식에 손을 뻗는 동안 그 원숭이의 움직임을 재현하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 구축에 성공했다.그 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 는 실시간으로 작동하며 인터넷 프로토콜을 통해 원격으로 별도의 로봇을 제어 할 수 있었다. 그러나 원숭이는 팔이 움직이는 것을 볼 수 없었고, 개방루프 (open-loop) 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 라 불리는 어떠한 피드백도 받지 않았다.

붉은털 원숭이에 사용하기 위해 미겔니콜리스 (Miguel Nicolelis) 와 그의 동료들에 의해 개발된 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 의 다이어그램

나중에 Nicolelis가붉은털 원숭이를 사용한 실험들은 피드백루프를 폐쇄하고, 로봇 팔에서 원숭이가 손을 뻗고 잡는 움직임을 재현하는데 성공했다. 그들의 깊이 갈라진 틈과 파인 두뇌로, 붉은 털 원숭이는 올빼미 원숭이보다 인간 신경생리학에 있어서 더 나은 모델로 간주된다.

원숭이들은 로봇 팔에 의해 대응하는 움직임이 숨겨진 상태에서 조이스틱을 조작하여컴퓨터 화면상의 물체에 도달하고 잡도록 훈련되었다.원숭이들은 나중에 로봇을 직접 보게 되었고로봇의 움직임을보고 그것을 제어하는 것을 배웠다. 그 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 는 뻗는 동작을 제어하기 위해 속도 예측을 사용하는 동시에 손으로 잡는 힘을 예측했다. 2011년 O'Doherty와 동료들은 붉은 털 원숭이와 감각 피드백을 하는뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 선보였다. 원숭이는 감각피질의 팔 표현 영역에 있는 직접적인 내부피질(intracortical) 자극 (ICMS)를 통해 감각 피드백을 받는 동안 뇌가 아바타팔의 위치를 제어하고 있었다.

도너휴, 슈워츠 와 앤더슨 (Donoghue, Schwartz and Andersen)

신경 신호를 디코딩하는뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 와 알고리즘을 개발한 다른 실험실은 브라운 대학의 존 도너휴, 피츠버그 대학의 앤드류슈워츠와 캘리포니아 공과대학의 리차드앤더슨이운영하는 연구실을 포함한다.

이 연구원들은 Nicolelis가 했던 것보다 훨씬 적은 뉴런 (50-200 뉴런에 비해 15 ~ 30 뉴런)에서 기록된 신호들을 사용하여 실행되는뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 를 만들 수 있었다.

도너휴의 그룹은 조이스틱의 도움을 받거나 없이도 컴퓨터 화면상의(폐쇄 루프 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) )시각적 대상을 추적하기 위해 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 를 사용하는 훈련 붉은 털 원숭이를보고했다. 슈워츠 그룹은 가상 현실에서 3차원 입체 추적을 위해 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 를 만들었고, 또한 로봇 팔에 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 제어를 재현했다. 그 그룹은 또한 원숭이가 동물 자신의 뇌 신호에 의해 제어되는 로봇 팔을 사용하여 과일 조각과 마시멜로를 먹을 수 있음을 입증함으로써 유명해졌다. 앤더슨 그룹은 그들의 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI) 에서 실험 동물들이 보상을받을 것으로 예상할 때 생성되는 신호를 포함하여, 후방 두정엽 피질로부터 전조활동의 기록을 사용했다.