우리는 종종 뭔가를 상상하는 것만으로 일을 이룰 수는 없다는 말을 듣습니다. 하지만 과학자들은 이제 그 같은 속설을 깨고 상상 속의 과학을 현실로 만들고 있습니다. 신체가 마비된 환자가 뭔가를 생각하는 것만으로 주변의 사물을 움직일 수 있음을 미국의 과학자들이  보여주고 있기 때문입니다. 

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매사추세츠주 웨어머스에 사는 21살 난 매튜 네이글은 싸우다 칼에 목을 찔려 어깨 아래로 온 몸이 마비됐습니다. 하지만 사지를 움직이지 못한다고 해서 매튜나 그와 같은 처지에 있는 사람들이 정상인들이 하는 일상활동 가운데 일부를 영원히 할 수 없는 것은 아닙니다.

브라운대학교의 신경과학자인 존 도노그씨와  동료 연구원들은 과학잡지 <네이처>에 실린 논문에서 매튜와 같은 환자들에게 새로운 희망을 주고 있습니다.

도노그씨는 이 논문은 신체가 마비된 사람들이 바깥세계와 다시 소통하고, 생각을 통해 어떤 장치들을 통제할 수 있도록 돕기 위해 개발된 기술에 관한 것이라고 말합니다.

매튜 같은 환자들은 음식을 먹기 위해 포크를 결코 사용하지 못할 수도 있습니다. 하지만 도노그씨의 지도 아래 매튜는 몇 가지 재미있는 일을 할 수 있습니다. 매튜는 뇌에 장착된 작은 전자센서를 통해 텔레비전과 로봇 팔, 심지어 컴퓨터까지 사용할 수 있습니다.

도노그씨는 자신의 팀은 환자에게 화면의 커서를 추적하고 있다고 상상하게 하고, 이에 따라 환자는 움직이는 것을 생각만 해도 커서가 손이 하는 것처럼 움직인다면서 왼쪽이나 오른쪽 등으로 움직이는 것을 상상하기만 하면 된다고 말합니다.

매튜는 이메일을 열고 텔레비전 소리를 조정하며 의수를 펴거나 오무리면서 관절이 여럿인 로봇 팔로 기본적인 행동을 합니다. 이 것을 가능하게 하는 뇌 장착 센서는 전극으로 이뤄져 있는데 이 전극이 팔의 움직임과 연관된 부분의 신경활동을 기록합니다. 이는 신체가 마비된 사람들에게서도 뇌 활동이 계속되고 있음을 처음으로 보여준 사례입니다. 전극이 기록한 정보는 컴퓨터에 의해 처리돼 기계장치를 움직이게 하는 명령으로 바뀝니다.

하지만 존 도노그씨는 이같은 움직임이 아직은  순조롭지 못하다고 말합니다.

도노그씨는 생각을 통해 이뤄지는 커서의 움직임은 안정적이지 않다면서 이는 자신의 팀이 아직 뇌의 입체적 활동을 활용하는 방법을 찾지 못했음을 뜻한다고 말합니다. 도노그씨는 따라서 컴퓨터가 통제신호를 더 잘 보내도록 개선할 필요가 있다면서, 현재 이런 작업을 진행하고 있으며 일부 진전을 이뤘다고 말합니다.

이 같은 개선작업은 스탠포드대학 연구팀이 <네이처> 지에 실은 두 번째 논문에 잘 나타나 있습니다. 신경과학자인 크리 쉬나 셰노이씨와 그의 동료들은 원숭이 뇌에 신경의 움직임을 기록하는 센서를 장착했습니다. 이 센서는 팔의 움직임 자체를 통제하는 신경세포 부근에 장착된 것이 아니라 움직이려는 의도와 관련된 신경세포에 장착됐습니다. 팔의 움직임과 관련된 회로에서는 멀리 떨어져 앞쪽에 장착된 것입니다.

셰노이씨는 이들 세포는 팔을 움직이는 방법과 관련돼 있으며, 연구팀은 수학적 연산방식을 통해 이들 신경신호를 해석해 팔을 어떤 쪽으로 움직이려 하는지를 예측할 수 있다고 말합니다. 과학자들은 원숭이들이 실제로 움직임을 보이기 전에 어떤 쪽으로 움직이려 생각하는지를 예측할 수 있었습니다.

앞서의 두 연구팀은 뇌에 센서를 장착하는 것이 전극을 두피 바깥에 장착하고 행한 이전의 실험보다 더 낫다고 말합니다. 내부에 장착된 전극은 특정 움직임에 대한 신경신호를 기록하지만 두피 바깥에 장착된 전극은 뇌를 통해 활동을 감지합니다.

셰노이씨의 스탠포드대학교동료과학자인 척추 전문가 스티븐 류씨는 이번 연구는 신체가 마비된 사람들의 삶의 질적  개선에 도움이 될 수 있을 것이라고 말합니다.

류씨는 그러나 이같은 연구결과를 뭔가 사람들에게 도움이 되는 것으로 만들려면 한 단계 수준을 높여 안전하고 효과적이며, 잃어버린 기능을 대체할 수 있음을 보여줘야 한다고 말합니다.

이와 관련해 큰 문제는 뇌에 센서를 장착하는 일은 아직도 많은 장비를 필요로 한다는 점입니다. 류씨는 이들 장비가 실질적으로 사용되려면 지금보다 훨씬 작고 자동화돼야 한다고 말합니다.

(영문)

We often hear that imagining something will not make it so. But scientists have now overturned that adage, making a science-fiction dream come true.  U.S. researchers have shown that a paralyzed patient can use thoughts to control some aspects of his or her environment.

Matthew Nagle, 26, of Weymouth, Massachusetts, is paralyzed below the shoulders because he was stabbed in the neck during a fight. But his inability to move his limbs does not mean that he and others like him will forever be unable to perform some of the daily activities the rest of us do.

Brown University nerve scientist John Donoghue and colleagues give new hope to such patients in a paper in the journal Nature.

"The paper is about the technology that we've developed to help a paralyzed person communicate with the outside world again, to be able to use their thoughts to control devices," said Mr. Donoghue.

Such patients might never be able to levitate a fork to feed themselves, but under Donoghue's supervision, Nagle was able to do things just as exciting. With a tiny electronic sensor implanted in his brain, he was able to use a television, a robot arm, and even a computer.

"We have the patient imagine that he's tracking a cursor on a screen," he explained.  "The patient is able to just think about moving and the cursor will move pretty much in the motion that the hand would take, if you were to imagine, say, moving left or right."

Nagle opened e-mail, changed the volume on a television, opened and closed a prosthetic hand and performed basic actions with a multi-jointed robotic arm.

The implanted brain sensor making this possible had an array of electrodes that recorded nerve activity in an area typically involved in arm movement. This is the first demonstration that such brain activity persists in paralyzed people. The information recorded by the electrodes was decoded and processed by a computer, allowing nerve firing patterns to be translated into movement commands that drove the devices.

But John Donoghue told Nature magazine, the movements are not yet smooth.

"The motion of the cursor by thought is wobbly and unstable," he noted.  "What that means is that, at least, we haven't found out how to exploit the brain's plasticity. So, we need to change the computer to make the control signal better. We're doing that, and actually having some good success."

A way to improve performance is described in a second Nature paper by Stanford University researchers. Nerve scientist Krishna Shenoy and colleagues implanted sensors in monkey brains that recorded nerve activity further ahead in the circuit involved in arm movement, not near the nerve cells controlling the movement itself, but those involved with the intention to move.

"These cells relate to how you wish to move your arm and through mathematical algorithms we're able to interpret those neurosignals to predict, which way one would wish to move their arm," he said.

This is how it sounds.

The scientists were able to predict the intended location of movements before the monkeys made them.

Both sets of researchers say the implants are better than previous experiments with electrodes attached outside the scalp. The internal electrodes record nerve signals for specific movements, whereas the scalp electrodes sense activity throughout the brain.

Krishna Shenoy's Stanford University colleague, spine specialist Stephen Ryu, says the research could help improve the quality of life for paralyzed people.

"But, in order to actually translate this to something, which will be helpful to people, we're going to have to take it to another level, where we can show that they're both safe, and that they're effective, and can replace function that's already been previously lost," said Mr. Ryu.

A major issue is that the brain implants still require a lot of equipment. Ryu says that, to become practical, the devices will need to be much smaller and automated.

"I think it is only a matter of time before we really start to see some true promise from these things."