KAIST가 유럽 주요 연구기관과 손잡고 뇌가 감각 정보를 처리해 신체 움직임으로 연결하는 원리를 규명하는 국제 공동연구에 나선다.

자유롭게 움직이는 원숭이의 뇌 활동과 행동 데이터를 분석해 뇌의 작동 원리를 담은 인공지능 모델을 구축하고, 장기적으로 사지마비 등 신경계 손상 환자의 일상 복귀를 지원하는 기술로 발전시킨다는 구상이다.

KAIST는 기계공학과 장경인 교수가 공동 연구책임자로 참여하는 국제 공동연구 과제 '뉴로에토프림(NeuroEthoPrim)'이 유럽연구위원회(ERC)의 '시너지 그랜트 2026'에 선정됐다고 6일 밝혔다.

국내 대학 소속 연구자가 해당 프로그램의 연구책임자로 선정된 것은 이번이 처음이다.

이번 연구에는 이탈리아 파르마대학교 루카 보니니 교수가 대표 연구책임자로 참여한다.

이탈리아 산타나고등연구원(SSSA)의 실베스트로 미체라 교수, 스위스 로잔연방공과대학교(EPFL)의 실베스트로 미체라 교수와 KAIST 장경인 교수가 연구를 함께 이끈다.

연구단은 앞으로 6년간 약 968만 유로의 연구비를 지원받으며, 이 가운데 약 50억원이 KAIST에 배정된다.

ERC 시너지 그랜트는 서로 다른 분야의 연구자들이 전문성을 결합해 개별 연구진만으로 해결하기 어려운 과학적 난제에 도전하도록 지원하는 프로그램이다.

인류 최초의 블랙홀 영상 확보에 기여한 국제 공동연구 '블랙홀캠(BlackHoleCam)' 역시 이 프로그램의 지원을 받은 바 있다.

연구진이 주목하는 부분은 실제 생활과 유사한 환경에서 작동하는 뇌의 움직임이다.

기존 뇌 연구는 실험 대상의 머리를 고정하거나 정해진 동작을 반복하도록 하는 방식이 많았다.

뇌 신호를 정밀하게 측정할 수 있다는 장점이 있지만, 걷거나 물체를 만지는 등 복합적인 감각과 운동이 동시에 일어나는 상황을 파악하기에는 한계가 있었다.

이를 극복하기 위해 연구진은 원숭이가 자유롭게 걷고 먹이를 탐색할 수 있는 실험 공간 '뉴로에토룸(NeuroEthoRoom)'을 구축한다.

이곳에서 뇌의 신경 활동과 전신 움직임, 촉각 정보를 동시에 수집해 감각 정보가 실제 행동으로 이어지는 과정을 분석할 계획이다.

뇌의 운동 의도를 신경 신호에서 추출하는 디코딩(Decoding) 기술과 외부 감각 정보를 뇌가 인식할 수 있는 신호로 변환하는 인코딩(Encoding) 기술도 핵심 연구 분야다.

뇌에서 신체로 전달되는 운동 명령뿐 아니라 외부에서 뇌로 전달되는 감각 정보까지 양방향으로 분석해 신경계의 작동 원리를 종합적으로 규명한다는 목표다.

연구진은 이렇게 축적한 방대한 데이터를 바탕으로 뇌와 행동의 상관관계를 학습하는 인공지능 파운데이션 모델(Foundation Model)도 개발한다.

다양한 감각과 움직임 사이에 존재하는 공통적인 규칙을 AI가 학습하도록 해 복잡한 신경 활동과 신체 움직임을 예측하고 해석할 수 있는 기반을 마련한다는 계획이다.

장경인 교수 연구팀은 무선 신경 인터페이스 개발을 맡는다.

부드러운 뇌 조직과 상대적으로 단단한 반도체 소자 사이의 물리적 차이를 줄여 동물이 자유롭게 움직이는 상황에서도 신경 신호를 안정적으로 측정하는 기술을 개발한다.

특정 뇌 영역을 선택적으로 자극하는 기능도 구현할 예정이다.

연구 성과는 차세대 브레인칩 '알렉스(ALEX)'와 신경계 질환자의 기기 사용을 지원하는 운영체제 '루카스(LUCAS)' 개발에 활용된다.

KAIST 교원창업기업 엔사이드(ENSIDE)를 통한 기술 사업화도 추진한다.

궁극적으로는 뇌 신호를 활용해 스마트폰과 휠체어 등 외부 기기를 제어하는 '브레인 투 엑스(Brain-to-X)' 플랫폼으로 확장하는 것이 목표다.

다만 실제 환자 적용을 위해서는 추가 연구와 안전성 및 유효성 검증이 필요하다.

이번 연구는 뇌과학과 AI, 신경공학을 결합해 기초연구를 의료·재활 분야의 실용 기술로 연결한다는 점에서 의미가 있다.

특히 정해진 실험 환경을 넘어 자연스러운 행동 속에서 뇌의 작동 원리를 규명한다는 점에서 차세대 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 발전에도 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다.

장경인 교수는 "자유롭게 움직이는 상황에서 뇌가 감각과 운동을 어떻게 연결하는지 밝혀내는 것이 연구의 출발점"이라며 "기초연구 성과가 신경계 손상으로 어려움을 겪는 환자들의 일상 복귀에 실질적인 도움이 될 수 있도록 노력하겠다"고 말했다.

한편 이번 과제의 동물실험은 유럽연합(EU) 동물실험 지침(2010/63/EU)을 준수하고 각 참여 기관의 동물실험윤리위원회 승인을 거쳐 진행될 예정이다.

고수연 기자 다른기사 보기