민병경 교수, 고차원적 의도 반영하는 전두엽 뇌파의 BMI 적용 연구
뇌파만으로 사람의 의도 읽는 패러다임의 새로운 도약 가능성 제시
MIT 및 U.C. Berkeley와 공동연구, 국제 저명 학술지 『NeuroImage』 게재

 


뇌공학과 민병경 교수

▲ 뇌공학과 민병경 교수 (제1저자, 교신저자)

 

 

뇌공학과 민병경 교수팀이 뇌파 기반 뇌-기계 인터페이스 (brain-machine interface: BMI/BCI) 분야에서 그 동안에 기술적 이유로 접근이 어려웠던 전전두엽(prefrontal cortex: PFC) 뇌파 신호가 BMI 제어 신호의 중추적 역할을 한다는 것을 신경생리학적으로 보여주는 연구 결과를 발표했다. 

이는 기존 BMI 분야에서 다루기 어려웠던 전전두엽 지역의 뇌파 신호에 BMI 제어 신호로서의 가치를 새롭게 부여하여 BMI연구의 지평을 확장했다는 점에서 획기적인 연구라 할 수 있다. 특히, 전전두엽 지역은 뇌 안에서도 인간의 다양한 고차원적인 의도를 반영하는 영역이어서, 지금까지 제한된 가짓수의 제어 신호만을 활용했던 BMI 분야의 패러다임을 도약적으로 발전시킬 수 있는 중요한 의미를 지닌다. 이번 연구를 통해 다가오는 미래에는 전전두엽의 고차원적 뇌파 신호를 통해 인간의 다양한 의도를 구분하여 직관적 생각만으로도 주변 사물의 구동 제어가 가능할 것이라는 것을 제시했다.   

이번 연구에서 민병경 교수는 전전두엽쪽으로 개별적으로 흐르는 뇌의 위쪽(dorsal)과 아래쪽(ventral)의 서로 다른 정보 처리의 길로 뇌의 신호가 의도적으로 흐르도록 유도하기 위해 회전 상상 과제와 색깔 인식 과제의 구분으로 실험 디자인을 진행했다. 예측한대로 정확하게 신경생리학적인 정보 처리의 흐름에 따른 뇌신호의 전개 방향을 다르게 하여 전전두엽에서 이 두 신호를 뇌파만으로 구분하는데 성공, 뇌파만으로 두 과제를 87%의 정확도로 구분했다. 이는 BMI 기술이 획기적으로 도약할 수 있는 공학적 측면에서의 돌파구로서의 가능성을 제시할 뿐 아니라, 그간 신경생리학적으로만 밝혀졌던 뇌에서 두 갈래의 시각 정보 처리의 흐름을, 두피에서 비침습적으로 측정한 뇌파 신호에서 구분하여 검출했다는 측면에서, 신경과학적으로도 의미 있는 결과라고 할 수 있다. 

고려대 뇌공학연구소 김현석 박사, 안민희 박사, 인공지능학과 석흥일 교수팀, 미국 MIT 맥거번 뇌연구소, 그리고 U.C. Berkeley 심리학과와 공동으로 진행된 이번 연구 결과는 뇌영상분야 인용지수 1위인 SCI급 국제 학술지 NeuroImage에 5월 14일자 온라인판에 게재됐다.
* 논문 제목 : Electrophysiological Decoding of Spatial and Color Processing in Human Prefrontal Cortex
* 논문 저자 : 민병경 (제1저자 및 교신저자), 김현석, 고원준, 안민희, 석흥일, Dimitrios Pantazis, Robert T. Knight
* 연구비 지원: 한국연구재단 휴먼플러스 융합연구 개발사업 및 정보통신기획평가원 대학ICT연구센터 육성지원사업

 
 
[ 그 림 설 명 ] 

사진1
(그림 1) 배측 정보 처리 흐름(공간 정보 처리: 회전 과제)과 내측 정보 처리 흐름(대상 정보 처리: 색깔 과제)의 대뇌에서의 경로 분리 현상을 이용해 전전두엽(PFC)의 DLPFC와 VLPFC 지역 각각에 도달하는 뇌파 신호가 구분되도록 유도한 실험 디자인.



사진2
(그림 2) 전전두엽의 DLPFC 신호(붉은색)는 주로 양의 영역에 있어서 심적 회전(mental-rotation) 과제를 잘 반영하고, VLPFC 신호(파란색)는 주로 음의 영역에 있어서 색깔 인지(color-perception) 과제를 잘 반영한다는 가설을 측정된 뇌파 신호로 정확하게 보여주어, 전전두엽 뇌파의 BMI/BCI 제어 신호로서의 가능성을 입증하는 뇌신경과학적 실험 결과.



사진3
(그림 3) 심적 회전 과제와 색깔 인지 과제 동안에 발생한 뇌파 신호의 차이가 가장 잘 보이는 뇌의 영역이 붉은 지역으로 표시됨. 결과적으로 가설에서 예상한대로, 두 과제의 구분을 보여주는 뇌파의 중추 영역이 전전두엽(PFC)임을 입증함.