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진짜 손처럼 느끼고 움직이는 '새로운 몸'을 구현하려는 과학자들

입력
2023.09.18 04:30
23면
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신경보철 과학자 슬라이먼 벤스메이아(Sliman Bensmaia, 1973.9.17~ 2023.8.11)

시카고대 신경과학자 슬라이먼 벤스메이아는 신경보철 분야의 개척자 중 한 명이다. 그는 진짜 몸처럼 감각하고 반응하는 의수와 인공유방을 만들고자 노력했고, 상당한 성과를 이루었고, 더 정교하게 느끼고 움직이는 보철을 구현하기 위해 헌신했다. 그는 아름답고 인간적인 무언가를 이루어내는 게 과학자의 궁극적인 사명이라 여겼다. uchicago.edu

시카고대 신경과학자 슬라이먼 벤스메이아는 신경보철 분야의 개척자 중 한 명이다. 그는 진짜 몸처럼 감각하고 반응하는 의수와 인공유방을 만들고자 노력했고, 상당한 성과를 이루었고, 더 정교하게 느끼고 움직이는 보철을 구현하기 위해 헌신했다. 그는 아름답고 인간적인 무언가를 이루어내는 게 과학자의 궁극적인 사명이라 여겼다. uchicago.edu

고대 그리스 철학자 아리스토텔레스는 인간의 감각을 다섯 가지(후각 시각 촉각 미각 청각)로 분류했다. 하지만 현대 신경과학계는 지금도 상식처럼 통용되는 저 ‘오감설’이 경험적 사실조차 등한시한 안락의자 철학자의 순진한 생각이라 여기는 듯하다.
예컨대 균형감각은 어떤가. 사람이 눈을 감고도 걸을 수 있는 것은 균형감각 덕이다. 다만 평소보다 걸음이 부자연스러운 건 시각의 도움을 받지 못해서다. 또 감각이 온전한 사람이라면 눈 코 귀를 다 막고 가만히 앉아서도 자기 팔과 다리가 어디에 어떤 자세로 놓여 있는지 안다. 그건 ‘고유수용성감각(proprioception)’이다. 그 감각 덕에 우리는 역시 눈 감고도 책상 위에 놓인 컵을 쥘 수 있다.

현대 신경과학은 인간의 감각을 크게 일반감각과 특수감각으로 나누고, 일반감각을 다시 고유감각(심부감각)과 피부감각(체성감각)으로 구분한다. 고유감각은 고유수용성감각을 비롯한 관절-근육의 긴장과 이완 정도를 감지하는 감각이고, 피부감각은 말그대로 피부로 느끼는 촉각과 통증 등을 가리킨다. 촉각을 제외한 4감과 균형 감각은 특수감각으로 분류된다.

인간은 펜을 쥐는 사소한 동작 하나에도, 저 수많은 감각(신경세포)들이 자신과 세계를 먼저 ‘감각’하고, 그 감각정보들을 척수-연수를 거쳐 뇌로 올려 보내고, 뇌가 전하는 운동정보를 팔과 손가락 근육으로 내려 보내는 과정을 전개한다. 5억년 진화의 위업이라 해야 할 저 정교하고도 복잡한 신경시스템의 작동은 그래서 심포니 오케스트라에 비유되기도 한다. 다만 그 오케스트라는 우리은하의 별들을 모두 합친 것보다 많은 뉴런과 시냅스 등으로 이뤄진 우주적 규모의 오케스트라라 해야 할 것이다.

인간의 저 많은 감각들 가운데 발생학적으로 가장 먼저 발달하는 게, 알려진 바 촉각이다. 태아는 임신 10주차에 피부신경을 갖춰 4개월 무렵부터 뇌로 촉각신호를 수용-처리한다. 태아는 촉각으로 세계(자궁)와 처음 소통하고, 자궁을 벗어나고도 다른 감각들(후각-미각-청각-시각 순)이 생기기 전에 체온과 피부의 질감으로 보호자의 품을 탐색한다.

‘생체모방 신경보철(biomimetic neuroprosthetics)’ 분야의 개척자이자 선도자로 불리는 미국 신경과학자 슬라이먼 벤스메이아(Sliman Bensmaia, 1973.9.17~2023.8.11)가 가장 중시한 것도 촉각이었다. 신경보철 기술이란 의수나 의족에 인체와 유사한 인공 감각수용체와 신경섬유를 장착함으로써 팔-다리를 잃었거나 신경마비로 감각을 잃은 이들에게 세계의 질감과 온도 등을 촉감할 수 있게 해주는 기술이다. 그렇게 획득한 감각 정보를 유무선 통신 기법과 칩을 통해 대뇌 피질과 간뇌 시상하부 등 뇌의 감각 수용부위에 전달함으로써 의수와 의족의 운동 즉 동작으로 이어지게 하는 기술까지 당연히 포함된다.

신경과학과 의학, 기계공학, 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 등이 망라된 저 첨단 학제간 연구를 열정적으로 이끌며 공상과학의 세계 일부를 현실화하고 장애인과 마비 환자 등에게 아직은 아득하지만 값진 희망을 전하고자 했던 그가 만 49세를 일기로 별세했다. 사인은 공개되지 않았다.

1973년 프랑스 니스에서 태어난 벤스메이아는 프랑스와 알제리에서 성장해 만 15세 무렵 가족과 함께 미국으로 이주했다. 꿈은 피아니스트였다고 한다. 버지니아대에서 컴퓨터공학과 인지심리학을 전공한 그는 ‘박사학위는 받아 두라’는 철학교수 부모의 권유에 따라 노스캐롤라이나대 대학원에 진학, 촉감의 정서(정신)적 기능을 주제로 한 논문으로 2003년 박사 학위를 땄다.
요컨대 그의 관심은 촉감에 있었고, 그건 건반 터치의 감각에 대한 지적-정서적 갈증과 관련이 있을지 모른다. 그는 너무 일찍, 갑작스럽게 세상을 떠나 자기 이야기를 차분히 전할 기회가 없었다. 그가 대학원에서 신경생물학을 부전공해 신경보철 연구에 몰두하게 된 경위나 동기도 불분명하다. 어쨌건 그는 존스홉킨스 의대 심리/뇌 연구소(2003~09)를 거쳐 09년 시카고대 조교수가 됐고, 임용 첫 해부터 피부감각과 신경과학, 신경보철을 연구하는 ‘벤스메이아 연구소’를 운영했고, 만 45세 되던 2019년 석좌교수가 됐다.

신경과학자 와일드 펜필드가 그린 '감각 호문쿨루스'의 입체 조형물. 감각의 크기에 따라 신체 부위의 크기를 비례적으로 표현하고 있다. 위키피디아.

신경과학자 와일드 펜필드가 그린 '감각 호문쿨루스'의 입체 조형물. 감각의 크기에 따라 신체 부위의 크기를 비례적으로 표현하고 있다. 위키피디아.

미국 출신 캐나다 맥길대 신경과학자 와일더 펜필드(Wild Penfield 1891~1976)는 전기자극을 통해 뇌의 특정부위가 신체 각 부위와 직결돼 있다는 사실을 확인, 1950년대에 ‘펜필드 뇌지도’를 공개했다. 신체 부위별 감각-운동신경의 비중을 차별화한 ‘펜필드 호문쿨루스’란 그림도 그렸다. 감각 호문쿨루스의 손과 얼굴(입술과 혀)이 도드라지게 큰 것은 그 부위가 생산하는 감각정보가 그만큼 많고 그 정보를 처리하는 뇌 부위가 또 그만큼 넓다는 의미다.

벤스메이아 연구진은 붉은털원숭이 실험을 통해 원숭이가 사포와 천, 플라스틱 등 각기 다른 질감의 사물을 손으로 만졌을 때 어떤 감각신경과 뇌 부위가 감응하는지를 밝혀 2013년 국립과학원회보(PNAS)에 발표했다. 펜필드 뇌지도가 국경만 구분한 세계지도였다면 그의 지도는 촉감의 일부에 특화한 정밀 작전지도인 셈이었다. 그의 팀은 2015년, 역시 원숭이를 대상으로 특정 감각정보가 만들어내는 신경패턴과 반응(운동)을 파악, 인위적인 전기신호로 신경계를 자극해 같은 반응을 재현해냈다.
미 국방부는 2016년 벤스메이아에게 “인체와 보다 유사한 의수-의족” 즉 신경보철을 개발해달라며 1억달러를 지원했다. 올해 초 CBS 시사프로 ’60 Minutes’에 출연한 그는 “처음엔 불가능하다고 생각했다. 인간의 뇌는 1,000억 개의 뉴런이 100조 개의 시냅스로 연결된, 우리가 아는 한 우주에서 가장 복잡한 시스템이기 때문”이라고 말했다.

시카고대 동료 신경생물학자 데이비드 프리드먼(David Freedman)은 벤스메이아 연구소가 “작은 회사처럼 운영됐다”고 평했다. 스무 명 남짓의 학부생과 대학원생, 다양한 분야를 전공한 박사후과정 연구원과 공학자-기술자들이 협업하는 기업. 국방부의 주문에 대한 그들의 첫 성과가 2016년 10월, 미 백악관이 주최한 연방과학기금 지원 분야 시연회를 통해 세상에 공개됐다.

2016년 10월 미 백악관이 주최한 연방과학기금 지원분야 시연회에서 사지마비 장애인의 뇌에 연결된 인공의수와 주먹 인사를 나누는 버락 오바마 당시 대통령의 손(왼쪽). Official White House Photo

2016년 10월 미 백악관이 주최한 연방과학기금 지원분야 시연회에서 사지마비 장애인의 뇌에 연결된 인공의수와 주먹 인사를 나누는 버락 오바마 당시 대통령의 손(왼쪽). Official White House Photo

자동차 사고로 목 아래부터 거의 전신이 마비된 채 만 12년을 지낸, 당시 만 30세 청년 네이선 코플랜드(Nathan Copeland)는 그날 전극과 전선으로 연결된 뇌와 신경의수로 버락 오바마 당시 대통령과 주먹 인사를 나눴다. 벤스메아아 팀이 피츠버그대 메디컬센터 연구팀과 협업해 만든 신경의수로 코플랜드는 “모든 손가락으로 촉감을 느낄 수 있다.(…) 가끔 찌릿찌릿하고 압각도 느껴지지만, 손가락 하나하나의 감각을 정확하게 구분할 수 있다”고 말했다.

벤스메이아 팀의 4번째 피실험자인 스코트 임브리(Scott Imbrie) 역시 1985년 만 19세 때 교통사고로 척수를 다쳐 목부터 하반신이 마비됐다가 재활치료로 간신히 걷게 된 장애인이다. 시카고 의대 신경외과의 피터 완크(Peter Warnke) 교수 집도로 2020년 10월 뇌에 칩을 이식한 임브리는 사고가 난 지 약 35년 만에 의수로 촉감- 압력과 진동 등-을 느끼고 '뇌의 의지'로 손을 움직였다. 그의 뇌에는 코플랜드보다 3배 가량 많은 62개의 ‘채널(뇌 전극)’이 이식돼 각기 다른 위치에서 다른 감각을 느끼게 했다. 그는 “어떤 자극은 피부 표면에서 느껴지고 어떤 건 손톱 밑처럼 깊은 데서 느껴진다.(…) 클립이나 바늘로 손가락을 누르는 느낌, 상록수(침엽수) 잎을 닦으려고 손을 뻗었다가 바늘잎에 찔리는 느낌도 든다”고 말했다.

임브리는 주3회 15시간씩 연구소와 병원에 들러 가상현실(VR) 헤드셋을 쓴 채 테이블에 놓인 컵을 들어 원하는 위치에 놓는 등 동작을 시연하고 각각의 감각이 의수의 어느 부분에서 느껴지는지, 어떤 느낌인지 등을 연구진에게 알려주는 식으로 연구를 도왔다. 손의 동작은 솜사탕을 쥘 때와 컵을 쥘 때가 다르다. 의수는 기계적 완성도와 별개로, 감각이 늘어나고 정밀해질수록 동작도 정교해진다. 연구팀은 그의 반응을 근거로 BCI 알고리즘 등을 수정했다. 감각정보의 뇌 전달(상행전달)에 집중한 벤스마이아를 도와 동료 과학자 니콜러스 햇소풀로스(Nicholas G. Hatsopoulos)는 하행전달(뇌→사지), 즉 동작 파트에 주력했다. 햇소풀로스는 “우리 연구는 아직 초기단계지만 응용분야는 무궁무진하다. 마비 환자 등이 혼자 옷을 입거나 밥을 먹고 컴퓨터로 작업하고 일어나 걷는 등 기본적인 일상 활동을 할 수 있는 기술을 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

잃어버린 감각의 일부를 새로 얻는 대신 임브리(와 같은 피실험자)가 감당해야 하는 수고도 만만찮다고 한다. 위험과 부작용 가능성이 상존하는 뇌 전극 이식 수술과 잇단 실험은 수고의 일부일 뿐이다. 뇌에 이식된 전극 등 장비의 내구성도 아직 충분히 검증된 게 아니어서 추가 수술을 받아야 할 수도 있다. 최근 각계의 연구 덕에 기술도 빠르게 진전되고 있지만 아직 신경보철은 모든 것이 통제된 연구실에 머물러 있고, 햇소풀로스가 말한 저 미래는 멀다. 그래서 성실한 피실험자를 구하는 일이 연구 못지않게 힘들다고 한다. 임브리는 시카고의대 웹진 인터뷰에서 “그렇다라도 프로젝트에 계속 참여하고 싶다”고, “이 연구가 내가 아니어도 다른 이들에게 궁극적으로 도움이 되는 게 더 중요하다”고 말했다.

벤스메이아는 “각각의 신경 섬유를 개별적으로 자극할 수 있는 완벽한 기술이 있다면 촉각도 완벽하게 복원할 수 있겠지만 현재 기술로는 불가능하다”고 말했다. 뇌에 이식할 수 있는 전극의 수는 여전히 한계(최대 수백 개)가 있고, 자극해야 하는 신경섬유는 1만 개가 넘기 때문이다. 그는 “신경의수로 조만간 질 좋은 실크와 값싼 실크의 차이를 구분하게 되리라 말할 순 없다. 우리의 단기 목표는 신경의수가 촉감을 통해 물체에 가할 힘의 정도를 훨씬 현실적으로 자연스럽게 구현하는 것”이라고 말했다.

보형물과 함께 감각신경 칩 등을 삽입해 실제의 촉각과 압각 등을 살린 인공유방 개념도. Lindau and Bensmaia/ uchicago.edu

보형물과 함께 감각신경 칩 등을 삽입해 실제의 촉각과 압각 등을 살린 인공유방 개념도. Lindau and Bensmaia/ uchicago.edu

촉감이야말로 인간을 인간답게 해주는 근본적인 감각이라고 믿었다는 그는 2020년 시카고의대 산부인과 스테이시 린다우(Stacy Lindau) 교수팀과 함께 생체유방(bionic breast) 프로젝트를 시작했다. 미국서만 한 해 평균 10만 명씩 생겨난다는 유방절제술 환자에게 생생한 촉감을 느낄 수 있는 신경유방을 복원해주기 위한 프로젝트. “너무 풍부하고 다차원적인” 손의 감각에 비해 유방의 감감은 상대적으로 단순해서, 벤스메이아는 비교적 자신만만했다. 그는 “지금까지 해온 일 중 가장 명확한 전망이 있고, 필요한 구성요소들이 모두 제자리에 있다.(…) 조만간 전세계 수백만 명의 여성에게 도움을 줄 수 있으리라 확신한다”고 말했다. 린다우 교수는 “촉감 복원을 위한 슬라이먼의 열정은 사랑에서 비롯됐다.(...) 그가 바이오닉 유방에 끌린 이유도 자신의 연구가 지닌 잠재력과 더불어 사랑의 촉감에 대한 과학적 이해에서 미지의 영역을 보았기 때문일 것”이라고 말했다.

벤스메이아는 2020년 한 동료 교수(Allan Drummond)에게 보낸 이런 문자 메시지를 보냈다고 한다. “과학자로서 우리는 근본적이면서 아름다운, 인간적인 무언가를 구현해야 한다고 생각합니다.(…) 이상적이게도, 어쩌면 너무 순진하게도 나는 아름다움을 믿습니다. 우리는, 적어도 우리 중 일부는 여전히 아름다움을 경험하며 거기서 감동을 받기 때문입니다.”
어쩌면 그의 궁극적인 꿈은 의수와 의족으로 연주되는 쇼팽이나 슈만의 피아노곡을 듣는 것이었을지 모른다. 그는 2011년 무렵 기타를 치던 동료과학자 프리드먼과 두 명의 다른 연주자와 함께 ‘FuzZz’라는 소울재즈 밴드를 결성, 시카고의 여러 무대에서 정기적으로 공연을 했고, 2013년 첫 앨범을 낸 데 이어 두 번째 음반을 준비 중이었다. 격식있는 복장을 꺼려 평소엔 늘 청바지에 배트맨 등 히어로 무늬 티셔츠 차림이었다는 그는 연주장에 갈 때는 가죽재킷을 입고 할리-데이비슨을 탔다고 한다. 그는 2007년 결혼한 아내(Kerry Ledoux)와 1녀 1남을 두었다.

2016년 6월, 인공지능 로봇을 소재로 한 영화 '엑스 마키나' 속의 과학 이야기를 나누는 좌담회에 참석해 발언하는 벤스메이아(왼쪽 두 번째). 왼쪽 세 번째가 니콜러스 햇소풀로스다. uchicago.edu

2016년 6월, 인공지능 로봇을 소재로 한 영화 '엑스 마키나' 속의 과학 이야기를 나누는 좌담회에 참석해 발언하는 벤스메이아(왼쪽 두 번째). 왼쪽 세 번째가 니콜러스 햇소풀로스다. uchicago.edu

연구-연주 사이사이, 연구비 조달을 책임져야 했던 그는 방송이나 강연 초청 등에 거의 마다않고 응하면서 신경보철 연구를 홍보했다.
인공지능(AI) 로봇 에이바(Ava)가 등장하는 2015년 SF 영화 ‘엑스 마키나'를 두고 2016년 시카고대가 주최한 ‘영화 속 과학이야기’ 좌담회에 그도 토론자로 초대됐다. 대체로 그렇듯 AI의 미래에 대한 기대와 공포가 토론의 주된 내용이었다.
영화에는 AI 소프트웨어 회사 대표 네이슨(도널 글리슨 분)은 자신이 만든 에이바 같은 AI로봇이 언젠가 “지금 우리가 화석 유골을 바라보는 것과 같은 방식으로 인류를 보게 될 것”이라고 “그들에게 우리는 조잡한 언어와 도구를 사용하며 멸종위기에 처한 직립 유인원 같을 것”이라고 말하는 대목이 나온다. 벤스메이아는 영화의 메시지를 다소 엉뚱하게 진단했다. 그는 “인간의 정교한 손놀림을 (에이바처럼 유연하게) 로봇화하기란 무척 어렵다는 사실이 입증되고 있습니다.(…) 하지만 우리는 우리가 하는 일을 멈추지 않을 것입니다. 기술은 계속 발전할 것이고, 문제가 발생하면 우리는 그 문제를 해결하려고 노력할 것입니다.


최윤필 기자

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