곽노필의 미래창
속말 해독률 74%…암호 인식률 98%
혼잣말 노출 위험 줄여 사생활 보호

한 중증 마비 환자가 속으로만 하는 말을 뇌파로 읽어내는 기술을 실험하고 있다. 에모리 브레인게이트 팀

뇌 이식 칩(뇌 임플란트)을 이용해 마음을 읽는 뇌 컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 분야에서 프라이버 보호를 위한 암호 기능이 추가된 새로운 유형의 장치가 개발됐다. 근육 마비 환자들이 속말과 입말을 가려서 대화할 수 있는 한 단계 앞선 기술로 평가된다.

뇌-컴퓨터 인터페이스는 행동이나 말과 관련한 뇌파를 해석해 로봇 팔다리를 작동시키거나 음성이나 문자로 전환해 줌으로써 사지 마비 환자나 말을 할 수 없는 사람들을 돕는 장치를 말한다.

미국 스탠퍼드대 연구진은 사람의 머릿속에서 일어나는 내면의 언어와 관련된 뇌 활동을 최고 74%의 정확도로 해독하는 장치를 개발해 국제학술지 셀에 발표했다. 이 장치는 사용자가 속으로 암호를 떠올려야 작동하는 것이 특징이다. 사용자가 자신의 마음 속에만 간직하고 싶어하는 문장을 실수로 번역하는 것을 방지하기 위한 장치다. 생각을 읽는 뇌 임플란트에 사생활(프라이버시) 보호 기능이 추가된 셈이다.

이번 연구에 참여하지 않은 뉴욕 파인스타인의학연구소의 사라 완델트 연구원(신경공학)은 네이처에 “인상적이면서도 유의미한 기술 진전”이라며 “사용자의 개인정보를 보호하는 이 간단한 암호 방식이야말로 실생활에 필수적인 기능”이라고 평가했다.

앞서 지난해 캘리포니아공대 연구진은 입을 움직여 말하려는 시도를 하지 않고, 생각만 하는 속말을 읽는 장치를 처음으로 개발해 네이처 인간행동에 발표한 바 있다. 연구진은 이 장치는 기존 장치들에서는 시도하지 않았던 두정엽(마루엽)의 모서리위이랑(supramarginal gyrus, 연상회)을 뇌 신호 해독 부위로 선택했다. 두정엽은 촉감, 통증 등 신체감각 기능을 관장하는 뇌 영역이다.

말하려고 노력하는 대신 말하려는 걸 생각만 해도 된다면 마비 환자들이 훨씬 더 힘들이지 않고 대화를 할 수 있다. 그러나 이 기술은 사용자가 속에만 담아두고 싶은 말까지 끄집어낼 위험이 있다는 게 문제였다. 

뇌 컴퓨터 인터페이스는 단순히 생각만 해서는 작동하지 않고, 암호부터 떠올려야 작동한다.

신호 영역은 비슷하지만 신호 강도가 달라

스탠퍼드대 연구진은 이런 위험 요인을 제거할 수 있는 방법을 알아보기로 하고 브레인게이트2 프로젝트에 참여하고 있는 중증 마비 환자 중 4명의 뇌 운동피질에 미세전극을 심고 뇌 신호를 분석했다. 4명 중 한 명은 뇌간 뇌졸중, 3명은 근위축성 측삭 경화증(루게릭병)을 앓고 있었으며 넷 다 언어 장애를 갖고 있다.

연구진은 이들에게 일련의 단어를 입으로 말하려고 시도하거나 말하는 상상을 하도록 요청했다. 그런 다음 이들의 뇌 활동을 살펴본 결과 ‘발성을 시도한’ 입말과 그렇지 않은 속말은 모두 같은 뇌 영역에서 비슷한 신경 신호를 생성한 것으로 나타났다. 다만 속말은 신호 강도가 약했다.

연구진은 이어 이 데이터를 사용해 음성의 가장 작은 단위인 음소를 인식하도록 인공지능을 훈련시켰다. 그리고 언어모델로 이 음소들을 연결해 12만5천개 어휘집에서 추출한 단어와 문장을 실시간으로 생성했다.

연구진이 개발한 장치는 두 참가자가 상상한 문장의 최고 74%의 정확도로 해석했다. 이는 연구진이 이전에 개발했던 장치, 즉 발성을 시도할 때의 뇌파를 읽어 해독하는 장치의 정확도와 비슷하다고 연구진은 설명했다. 그러나 전체적인 해독률은 26~54%여서 아직은 오류율이 높은 편이다. 연구진은 앞으로 몇년 동안 센서와 인공지능을 지속적으로 개선하면 정확도가 더욱 높아질 수 있을 것으로 기대했다.

이 장치는 어떤 경우 참가자들이 연구진의 지시 없이 떠올린 것, 예컨대 화면에 표시된 분홍색 사각형을 조용히 세며 상상한 숫자를 해독하기도 했다. 이는 BCI가 자신에게 하는 혼잣말도 감지할 수 있다는 걸 시사한다.

연구진은 이 문제, 즉 BCI가 자신이 말할 의도가 없는 문장도 해독할 위험을 줄이기 위해, 시스템에 암호를 추가했다. 이를 이용해 해독 시작 시점을 제어할 수 있도록 하기 위한 것이었다. 실험 결과 참가자가 '치티치티뱅뱅'이라는 암호를 상상하자 BCI는 98% 이상의 정확도로 암호를 인식했다.

연구에 참여하지 않은 샌디에이고 캘리포니아대의 비카시 길자 박사(컴퓨터과학)는 사이언스에 “과학자들은 오랫동안 음성 BCI의 정신적 프라이버시 문제에 대해 고심해 왔지만, 이 연구야말로 그러한 프라이버시를 보호하는 기술을 시연한 최초의 사례”라며 “의사소통을 회복하되, 사람이 실제로 의도한 의사소통만을 회복하는 것이 우리의 궁극적인 목표”라고 말했다.

*논문 정보

Inner speech in motor cortex and implications for speech neuroprostheses.

DOI: 10.1016/j.cell.2025.06.015

곽노필 선임기자 nopil@hani.co.kr

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