뇌에 전극을 심는 기술은 어디를 향하고 있나? — 생각만으로 컴퓨터를 움직이는 기술, 지금 어디까지 왔나

"뇌에 칩을 심으면 생각만으로 컴퓨터를 움직인대. 이제 기계가 생각을 읽는 거지."

2024년 1월, 미국의 한 회사가 사람의 뇌에 장치를 심었다는 소식이 전해졌을 때 많은 사람이 이렇게 말했습니다. 두 달 뒤 공개된 영상에서는 사지가 마비된 스물아홉 살 남성이 화면 속 커서를 움직여 체스를 두었습니다^[1]. 공상과학이 어느 날 갑자기 현실이 된 것처럼 보였습니다.

그런데 이 장면에는 선배가 있습니다. 2006년 학술지 《네이처》에 실린 논문에는 'MN'이라는 머리글자로만 적힌 사지마비 환자가 나옵니다. 척수를 다친 지 3년이 지난 그의 뇌에 미세 전극 96개가 달린 배열이 심겼습니다. 그는 화면 속 커서로 가상의 이메일을 열고 텔레비전을 조작했습니다. 다른 사람과 이야기를 나누면서도 그렇게 했습니다^[2].

여기서 물어볼 것이 하나 있습니다. 뇌 겉면은 넓습니다. 연구진은 그 넓은 곳 가운데 왜 하필 그 자리에 전극을 꽂았을까요.

전극을 꽂을 자리는 기계가 아니라 지도가 정했고, 그 지도의 첫 장은 1909년 현미경 아래에서 그려졌습니다.

이 글은 뇌에 칩을 심는다는 뉴스를 '갑자기 튀어나온 기술'로 기억하는 분들을 위해 씁니다. 결론부터 말씀드리면, 생각으로 커서를 움직이는 기술은 "뇌의 어디가 무슨 일을 하는가"라는 백 년 넘은 물음의 연장선에 있습니다. 이야기는 뇌 겉질에 번호를 매긴 지도, 곧 브로드만 영역(Brodmann area)에서 시작해, 뇌 신호로 기계를 움직이는 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)까지 이어집니다.

현미경으로 그린 번호 지도

맨눈으로 본 사람의 뇌 겉면은 주름진 한 덩어리입니다. 어디에도 경계선은 그어져 있지 않습니다. 독일의 의사 코르비니안 브로드만(1868~1918)은 그 경계를 현미경으로 찾으려 했습니다. 그는 1901년부터 베를린의 한 연구소에서 뇌를 0.02~0.03mm 두께로 얇게 저몄습니다. 반구 하나에서 나오는 절편이 수천 장이었습니다. 여기에 신경세포의 몸통을 물들이는 염색을 하고, 세포가 쌓인 모양을 한 장씩 들여다봤습니다^[3].

보이는 것이 있었습니다. 대뇌 겉질은 기본적으로 여섯 층으로 이루어지는데, 자리에 따라 어떤 층은 두껍고 어떤 층은 잘 보이지 않았습니다. 세포가 놓인 짜임새도 달랐습니다^[4]. 브로드만은 이 무늬가 바뀌는 곳마다 선을 긋고 구역에 번호를 붙였습니다. 1909년에 낸 단행본에 실린 그 지도가 지금도 쓰이는 브로드만 영역입니다^[3].

번호는 1번부터 52번까지입니다^[4]. 다만 흔히 말하는 '52개 구역'은 조금 조심해서 읽어야 합니다. 브로드만은 사람뿐 아니라 원숭이를 비롯한 여러 동물의 뇌 지도를 함께 냈고, 13·14·15번처럼 사람이 아닌 영장류에서만 확인되는 번호도 있습니다^[4]. 브로드만의 삶과 업적을 정리한 2018년 논문은 사람 겉질 지도에 그려진 구역을 48개로 셉니다^[3].

숫자보다 중요한 게 하나 있습니다. 이 지도는 기능을 재서 그린 지도가 아닙니다. 브로드만이 본 것은 죽은 뇌의 세포 무늬였습니다. 그 자리가 살아 있을 때 무슨 일을 했는지는 현미경으로 알 수 없었습니다. 그 자신도 이 점을 잘 알았습니다.

나의 국재 연구는 순전히 해부학적 고찰에 바탕을 두고 있지만 … 궁극의 목표는 기능과 그 병적 이탈에 관한 이론에 이르는 것이었다.

— 코르비니안 브로드만(1909), Zilles(2018)에서 재인용 (번역)^[3]

비유하자면 브로드만의 지도는 행정구역 지도입니다. 동네와 동네 사이에 경계선은 그어져 있지만, 어느 동네에 시장이 있고 어느 동네에 학교가 있는지는 적혀 있지 않습니다. 그 빈칸은 뒷사람들이 채웠습니다. 4번은 몸을 움직이는 일차 운동겉질, 17번은 일차 시각겉질, 41번과 42번은 일차 청각겉질에 해당하고, 44번과 45번은 말하기와 관련된 브로카 영역과 겹친다는 것이 확인됐습니다^[4].

정작 브로드만 자신의 길은 순탄하지 않았습니다. 1908년에 낸 교수 자격 논문은 베를린 대학에서 거부당했습니다. 1918년 뮌헨의 연구소에서 부서 책임자로 임명됐지만, 새 자리로 옮기기도 전인 그해 8월 패혈증으로 갑자기 세상을 떠났습니다. 마흔아홉이었습니다. 그의 저작이 인용된 횟수는 2018년 7월 기준 17만 회를 넘습니다^[3].

깨어 있는 환자에게 물어 채운 빈칸

지도의 빈칸을 가장 극적으로 채운 사람은 캐나다 몬트리올의 신경외과 의사 와일더 펜필드입니다. 그는 심한 뇌전증 환자의 뇌에서 발작이 시작되는 곳을 없애는 수술을 했습니다. 그러려면 건드려도 되는 곳과 안 되는 곳을 먼저 가려야 했습니다. 방법은 단순했습니다. 국소마취만 해서 환자가 깨어 있는 상태로 뇌 겉면에 전기 자극을 주고, 어떤 반응이 나오는지 살피는 것입니다^[5]. 어느 곳에서는 몸의 한 부분이 움직였고, 어느 곳에서는 환자가 몸 어딘가에 감각이 느껴진다고 말로 알려 주었습니다^[6].

1937년 12월 1일, 펜필드와 에드윈 볼드리는 학술지 《브레인》에 55쪽짜리 논문을 실었습니다. 1928년부터 1936년까지 수술한 환자 126명의 기록을 모은 것이었습니다. 볼드리는 펜필드의 수술 기록과 사진, 스케치에서 자극 지점을 옮겨 요약 지도 170장을 손으로 그렸습니다. 이 지도들을 한눈에 보여 주려고 고안한 그림이 '호문쿨루스(homunculus, 작은 사람)'입니다. 뇌 겉질의 띠를 따라 다리, 팔과 손, 얼굴과 혀가 차례로 놓이는데 손가락과 입이 유난히 큽니다. 겉질이 한 부위에 내주는 몫은 그 부위의 덩치가 아니라, 신경이 얼마나 촘촘히 닿아 있느냐에 따르기 때문입니다^[6].

여기서 한 가지 짚어 둘 대목이 있습니다. 호문쿨루스는 교과서 그림만큼 깔끔하지 않습니다. 원래 자료에서는 서로 다른 신체 부위의 자극 지점이 크게 겹쳤는데, 사람 모양으로 옮기면서 그 겹침이 빠졌습니다. 한 사람 한 사람의 뇌에서 그림처럼 가지런한 순서가 나오는 일도 드물었습니다^[6]. 펜필드 자신도 뒷날 그림을 고쳐 그리면서 이렇게 적었습니다.

이런 그림은 모양과 상대적인 크기에 너무 큰 의미를 두면 쉽게 혼란을 부를 수 있다.

— 펜필드·라스무센(1950), Catani(2017)에서 재인용 (번역)^[6]

두 저자는 논문에 또 하나를 적어 두었습니다. 기능이 나타나는 범위를 세포 무늬로 그은 경계 안에 엄격히 가둘 수는 없다는 것입니다^[6]. 브로드만도 비슷한 것을 보았습니다. 전기 자극에 반응해 몸을 움직이는 구역은 그가 그은 4번의 경계보다 앞쪽으로 더 넓었습니다^[3]. 지도는 쓸모가 있지만 경계선은 생각보다 흐릿합니다.

이 그림은 지금도 고쳐지고 있습니다. 2023년 《네이처》에 실린 정밀 기능 영상 연구는 운동겉질의 호문쿨루스가 한 줄로 이어져 있지 않다고 보고했습니다. 발·손·입을 맡는 구역 사이사이에, 온몸의 행동을 계획하는 일과 이어진 다른 성격의 구역이 끼어 있다는 것입니다^[7].

신호를 푸는 법 — 세포 하나가 아니라 무리

어디를 겨눌지는 정해졌습니다. 몸을 움직이려는 뜻을 읽고 싶다면 운동겉질입니다. 남은 문제는 거기서 나오는 신호를 어떻게 푸느냐였습니다.

1986년 《사이언스》에 실린 영장류 연구가 실마리를 줬습니다. 운동겉질의 팔 영역에 있는 신경세포 하나하나는 특정 방향에 '넓게' 반응할 뿐입니다. 그런데도 동물은 팔을 아주 정확하게 움직입니다. 연구진은 세포마다 가장 잘 반응하는 방향을 화살표로 놓고, 그 순간의 활동 변화만큼 화살표에 무게를 준 뒤 모두 더했습니다. 그렇게 합친 화살표가 실제로 팔이 움직이는 방향과 맞아떨어졌습니다^[8]. 여론조사와 비슷합니다. 한 사람의 대답은 흐릿해도 여럿을 모으면 방향이 선명해집니다.

2002년에는 원숭이가 운동겉질 신경세포 7~30개의 신호만으로 화면의 커서를 원하는 자리로 곧바로 옮겼습니다. 이때 쓴 전극 배열은 사람에게도 쓸 수 있는 종류였습니다^[9]. 그리고 2004년, 사지마비 환자 네 명이 참여한 임상시험이 시작됐습니다. '브레인게이트(BrainGate)'라는 장치였습니다^[10].

첫머리에서 본 2006년 논문이 그 첫 결과입니다. 전극 배열이 들어간 곳은 일차 운동겉질이었습니다. 논문이 확인한 것은 두 가지입니다. 척수를 다쳐 몸이 움직이지 않은 지 3년이 지나도, 손을 움직이려고 마음먹으면 운동겉질의 신경세포는 여전히 활동 패턴을 바꾼다는 것. 그리고 그 패턴을 풀어 커서를 움직이는 신호로 쓸 수 있다는 것입니다^[2].

2012년에는 사지마비 환자 두 사람이 로봇 팔을 뻗고 물건을 쥐는 데 성공했습니다. 그중 5년 전에 전극을 심은 참가자는 로봇 팔로 병에 든 커피를 가져와 마셨습니다^[11]. 혼자 힘으로 무언가를 마신 것은 15년 만이었습니다^[10]. 다만 연구진은 로봇 팔의 동작이 몸이 성한 사람만큼 빠르거나 정확하지는 않았다고 논문에 분명히 적었습니다^[11].

뉴럴링크 — 새로운 것과 새롭지 않은 것

이 흐름 위에 2016년 설립된 뉴럴링크(Neuralink)가 있습니다^[1]. 이 회사가 2019년에 낸 백서의 문제의식은 분명했습니다. 기존 장치는 신호를 받는 통로, 곧 전극의 수가 적다는 것입니다. 그래서 두께 4~6μm의 가늘고 유연한 실에 전극을 여러 개 얹고, 이 실을 로봇이 한 가닥씩 뇌에 꽂는 방식을 내놓았습니다. 로봇은 1분에 여섯 가닥을 꽂을 수 있다고 했습니다^[12].

미국 식품의약국(FDA)은 2022년 이 회사의 사람 대상 시험 신청을 한 차례 돌려보냈습니다. 배터리의 안전성, 가는 전선이 뇌의 다른 곳으로 옮겨 갈 가능성, 뇌 조직을 다치지 않고 장치를 꺼낼 수 있느냐는 문제 때문이었습니다. 승인은 2023년 5월에 났고, 첫 이식은 2024년 1월 28일에 이루어졌습니다^[1]. 2016년 다이빙 사고로 어깨 아래가 마비된 남성이었습니다^[13]. 그의 운동겉질에 실 64가닥, 전극 1,024개가 들어갔습니다^[14].

그런데 곧 탈이 났습니다. 실 가운데 일부가 뇌에서 빠져나와 신호를 잴 수 있는 전극이 줄어든 것입니다. 회사는 2024년 5월 이 사실을 알렸지만 64가닥 중 몇 가닥이 빠졌는지는 밝히지 않았습니다^[13]. 당사자는 한 신문과의 인터뷰에서 실의 약 85%가 떨어졌다고 말했습니다^[14]. 회사는 남은 신호를 더 민감하게 읽도록 알고리즘을 고쳐 기능을 되살렸다고 했습니다. 로이터는 회사가 승인 전 동물실험에서 이미 실이 빠질 수 있다는 점을 알고 있었다고 익명의 관계자들을 인용해 보도했습니다^[13].

평가는 나누어서 볼 필요가 있습니다. 원숭이가 뇌 신호로 커서를 움직인 것은 2002년부터 있던 일입니다. 과학자들이 이 회사에서 진전으로 꼽는 부분은 장치를 무선으로 만들고 전극 수를 늘린 공학적 성과입니다^[1]. 원리를 새로 발명했다기보다 부품을 크게 개량한 쪽에 가깝습니다.

비판도 있습니다. 이 회사는 동물실험에서 많은 영장류가 안락사됐다는 지적을 받았고 미국 농무부의 조사 대상이 됐습니다. 농무부는 2023년, 회사가 스스로 신고한 2019년의 한 건 말고는 규정 위반을 찾지 못했다고 의회에 알렸고, 문제를 제기한 단체는 이 결론에 동의하지 않았습니다. 회사는 2026년 1월 전 세계 임상시험에 참가자 21명이 등록돼 있다고 밝혔습니다. 다만 초기 타당성 시험 단계에서는 회사가 시술의 세부를 공개하거나 안전성과 효과를 입증해 보일 의무가 없었습니다^[1]. 바깥에서 확인할 수 있는 자료가 아직 많지 않다는 뜻이에요.

'생각을 읽는다'는 말의 실제 범위

이제 처음의 말로 돌아가 봅니다. 기계가 생각을 읽는 걸까요.

지금까지 나온 장치가 읽은 것을 차례로 놓아 보면 답이 보입니다. 커서를 옮기려는 뜻, 팔을 뻗으려는 뜻이었습니다. 2021년에는 손이 마비된 참가자가 글씨를 '쓰려고 시도'할 때 운동겉질에서 나오는 신호를 풀어 글자로 바꿨습니다. 속도는 1분에 90자, 정확도는 94.1%였습니다. 같은 또래가 스마트폰으로 치는 속도가 1분에 115자이니 8할 가까이 따라간 셈입니다^[15].

2023년에는 루게릭병(근위축성 측삭경화증)으로 알아들을 수 있는 말을 잃은 참가자가 '말하려고 시도'할 때의 신호를 풀어 1분에 62단어를 글로 옮겼습니다. 자연스러운 대화는 1분에 160단어쯤이니 4할에 조금 못 미칩니다. 12만 5천 단어 어휘를 놓고 잰 단어 오류율은 23.8%, 대략 네 단어에 하나가 틀렸습니다^[16].

미리 말씀드려야 할 게 있습니다. 손글씨 연구도 말 연구도 참가자는 한 명입니다^[15][16]. 그 한 사람에게서 된 일이 다른 사람에게도 같은 수준으로 될지는 더 많은 참가자로 확인해야 해요.

지도대로 꽂았더니 조용했던 자리

2023년 연구에는 지도 이야기의 반전이 하나 들어 있습니다. 연구진은 전극 배열 네 개를 심을 자리를 2016년에 나온 새 뇌 지도의 방법으로 정했습니다^[16]. 건강한 젊은 성인 210명의 자기공명영상을 바탕으로 겉질을 반구마다 180개 구역으로 나눈 지도입니다. 그 가운데 97개는 새로 확인된 구역이었습니다^[17].

배열 두 개는 '6v'라 불리는 배쪽 전운동겉질에, 나머지 두 개는 브로카 영역의 일부인 '44번' 구역에 들어갔습니다^[16]. 브로드만의 지도에서 6번은 전운동겉질이고 44번은 브로카 영역에 속합니다^[4]. 백여 년 전에 붙은 번호가 2023년의 논문에 그대로 살아 있는 셈입니다.

결과는 예상과 달랐습니다. 6v 구역의 신호로는 단어 50개를 94%의 정확도로 가려낼 수 있었습니다. 그런데 말을 만들어 내는 데 관여한다고 여겨 온 44번 구역에서는 입 움직임이나 단어에 관한 정보가 거의 나오지 않았습니다. 가려내는 정확도가 12%에도 못 미쳤습니다. 연구진은 44번의 기록을 내려놓고 6v의 신호만으로 나머지 분석을 했습니다^[16].

지도는 전극을 꽂을 후보지를 알려 줍니다. 하지만 지도에 적힌 설명이 맞는지는 꽂아 봐야 압니다. 그리고 꽂아 본 결과는 다시 지도를 고칩니다. 물론 이것도 한 사람의 뇌에서 나온 결과라 확신은 덜합니다.

지도는 아직 그려지는 중이다

브로드만 지도의 한계는 잘 정리돼 있습니다. 그는 구역의 위치와 크기가 사람마다 얼마나 다른지를 기록하지 않았습니다. 겉질 표면의 3분의 2는 주름 안쪽에 숨어 있는데, 그의 그림은 그 안쪽의 경계를 보여 주지 않습니다. 경계를 어디에 긋느냐가 보는 사람의 눈에 달려 있었다는 점도 오래 비판받았습니다^[3]. 뇌 영상을 보고 "몇 번 영역이 켜졌다"고 말할 때도 그것은 근사일 뿐입니다. 한 사람의 뇌에서 실제 경계를 알려면 조직을 직접 들여다봐야 합니다^[4].

그런데도 이 번호는 지금까지 가장 널리 알려지고 가장 자주 인용되는 겉질 구획으로 남아 있습니다^[4]. 정확해서라기보다 모두가 아는 주소이기 때문일 겁니다. 4번, 17번, 44번이라고 하면 어느 나라 연구자든 같은 자리를 떠올립니다. 새 지도가 구역을 180개로 잘게 나눠도, 그 위에 옛 번호가 겹쳐 쓰이는 까닭입니다.

정리하자면 이렇습니다. 브로드만은 1909년 세포 무늬만으로 뇌 겉질에 번호를 붙였고, 펜필드는 깨어 있는 환자의 뇌를 자극해 그 번호 위에 기능을 적어 넣었습니다. 운동겉질 신경세포 무리의 신호로 움직임의 방향을 읽는 법이 나온 뒤, 2006년 사람의 뇌 신호로 커서를 움직인 첫 논문이 실렸습니다. 2024년의 뉴럴링크는 그 흐름 위에서 전극 수와 무선화를 밀어붙인 사례이고, 실이 빠지는 문제와 공개 자료의 부족이라는 숙제를 함께 안고 있습니다. 지금 기계가 읽는 것은 생각 전체가 아니라 움직이려는 시도입니다.

다음에 '생각을 읽는 칩'이라는 제목을 보면 물어보세요. 그 전극은 뇌의 어디에 꽂혔고, 거기서 읽은 것은 정확히 무엇일까요.

이 글은 일반적인 정보 제공을 위한 것이며 의학적 조언이 아닙니다. 이 글에서 다룬 뇌-컴퓨터 인터페이스는 임상시험 단계의 기술입니다. 마비나 신경계 질환의 치료, 임상시험 참여에 관한 판단은 담당 의료진과 상의하세요.