처음엔 호기심이었다. 8년 전 국제 학술지 ‘네이처’에 나온 한 연구를 봤는데, 못 걷는 원숭이의 뇌와 척수에 임플란트를 심어 다시 걷게 했다는 내용이었다. 그때부터 어떤 사람이 이런 연구를 하는 걸까 궁금해졌다.

그런데 지난해 5월, 같은 연구진이 그 기술을 사람에 적용했다는 논문이 나왔다. 자전거 사고로 하반신이 마비된 환자를 12년 만에 다시 걷게 했다는 이야기였다. 호기심을 넘어 이젠 이 연구자들을 만나보고 싶어졌다.
그렇게 그들이 있는 스위스 로잔연방공대(EPFL) 뉴로X 연구소로 향했다.

본 기획물은 정부광고 수수료로 조성된 언론진흥기금의 지원을 받았습니다.

▲EPFL/Jimmy Ravier

12년 만에 다시 걷게 된 남자, “일론 머스크보다 빨랐죠”

“사실년부터 만나고 싶었어요. 논문을 보고 나서요.” 9월 3일, 수줍게 팬심을 고백하며 드디어 만나고 싶었던 연구자 둘을 만났다. 그레고아르 쿠르틴 스위스 로잔연방공대 교수와, 조셀린 블로흐 로잔연방공대 교수였다.

두 교수는 2016년 원숭이에 뇌 임플란트와 척수 임플란트를 심어 다시 걷도록 만든 연구부터 ^{doi: 10.1038/nature20118} 지난해 임상시험까지 계속 함께한 공동 연구자다. 쿠르틴 교수는 신경과학자로, 블로흐 교수는 신경외과 의사로 연구에 참여하고 있다. 자전거 사고로 하반신이 마비된 게르트-얀 오스캄(위 사진)을 12년 만에 다시 걷게 한 2023년 5월 연구와 ^{doi: 10.1038/s41586-023-06094-5}, 파킨슨병으로 걷기 힘들어하던 마크 고티에를 30년 만에 다시 편하게 걷도록 도운 2023년 6월 연구도 모두 함께했다. ^{doi: 10.1038/s41591-023-02584-1}반갑게 인사를 나누고 나니, 쿠르틴 교수의 사무실 한쪽에 있는 네온사인에 눈길이 갔다. 가운뎃 손가락을 내민 노란색 네온사인이었는데, 그 아래에 영어로 ‘일론’이라고 쓰여 있었다. 저게 도대체 뭐냐고 묻자 쿠르틴 교수는 “일론 머스크의 뉴럴링크보다도 먼저 임상시험을 했어요. 저기 보이는 네온사인은 일론 머스크에게 보내는 윙크 같은 거죠”라고 답했다.

실제로 쿠르틴 교수의 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI･Brain-Computer Interface) 임상시험은 일론 머스크가 만든 BCI 기업 뉴럴링크보다 앞섰다. 두 연구자가 오스캄을 수술한 건 2021년 7월, 뉴럴링크가 첫 수술을 한 건 2024년 1월이니 2년 이상 앞선 셈이다. 이 때문에 쿠르틴 교수는 “머스크가 하는 BCI 개발이 혁신적이라고 생각하지만 홍보가 과하다고 생각한다”고 말했다. BCI 기술이 최근 주목받기 시작한 건 머스크의 뉴럴링크 때문일 수 있지만 기초과학부터 다져온 역량으로 임상시험을 먼저 시작하고 성과를 논문으로 발표해 온 건 자신이라는 자부심이 느껴졌다.

임상시험 참가자가 이식받은 뇌 임플란트에는 64개의 전극이 달린 장치 2개가 있다. 이를 통해 움직임을 명령하는 뇌 신호를 받고, 척수로 전달해 걸을 수 있게 해준다.

원숭이에서 사람으로, 7년이나 걸린 이유

뉴럴링크가 처음 원숭이 실험 영상을 공개한 건 2021년, 사람에게 적용한 건 2024년이다. 한편 쿠르틴 교수와 블로흐 교수는 원숭이 실험과 임상시험 사이 7년이란 시간이 빈다. 그 사이 무슨 일이 있었던 걸까.

“블로흐 교수가 수술 방법을 바꾸고 싶어 했어요.” 쿠르틴 교수가 입을 열자 블로흐 교수가 설명을 이어갔다. “원숭이 실험에서는 뇌에 전극이 직접 닿도록 수술했는데, 전극이 움직이거나 나중에 전극을 제거했을 때 뇌에 병변이 생긴단 걸 알았어요. 그래서 사람한테 실험할 땐 병변을 만들지 않으면서 뇌 신호를 읽을 방법이 없을지 고민했어요.” 임플란트의 전극이 뇌에 닿으면 뇌 신호를 정확히 읽어낼 수 있지만 병변을 만들 수 있고, 수술 없이 전극을 두개골 밖에 붙이자니 읽어 들이는 뇌 신호가 약한 게 문제였다.

그래서 이들은 타협안을 택했다. 뇌와 두개골 사이에 뇌 임플란트를 이식하는 것이다. 그 덕분에 첫 번째 임상시험 환자 오스캄은 뇌와 두개골 사이 뇌막의 가장 바깥층인 ‘경막’ 위에 임플란트를 이식받았다. 두개골 양쪽에 지름 5cm 구멍을 낸 다음, 뇌에 닿지 않게 뇌 임플란트를 이식하고, 이 임플란트가 받는 신호는 오스캄이 쓰고 있는 헬멧으로, 또 헬멧에서 척수 임플란트로 전달되도록 했다.

“신호를 받자마자 마법처럼 걷게 되는 건 아니에요.” 쿠르틴 교수가 설명을 덧붙였다. 이들은 뇌에 직접 닿는 방식보다 약할 수 있는 뇌 임플란트의 신호를 보완하기 위해 척수 임플란트 알고리즘 연구에도 공을 들였다. 척수의 어떤 부위를 어떤 타이밍에 자극해야 더 빨리 걸음을 회복하는지 신호의 패턴을 분석한 것이다. 3명의 하반신 마비 환자에게 척수 임플란트만 심었고, 이 임플란트에 전기 신호를 주며 패턴을 찾았다. 이 연구 결과를 담은 2018년 논문에 따르면, 세 환자는 모두 일주일 만에 하반신을 움직일 수 있게 됐다. ^{doi: 10.1038/s41586-018-0649-2} “지금은 더 빨라졌어요. 기본 패턴을 찾는 데는 한 시간이면 되죠.” 쿠르틴 교수가 어깨를 으쓱이며 말했다.

▲Neurorestore

1 뉴로X 연구팀은 파킨슨병으로 보행이 어려웠던 환자 마크 고티에에게 척수를 자극하는 장치를 이식해, 지팡이 등의 도움 없이도 수 킬로미터를 걸을 수 있게 만들었다.

▲정용환

2 스위스 로잔연방공대 뉴로X 연구소 소속의 조셀린 블로흐 교수(왼쪽)와 그레고아르 쿠르틴 교수는 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI･Brain-Computer Interface) 기술을 통해 하반신 마비 환자를 다시 걷게 만들었다.

올 가을 여성 환자에게 첫 이식 “전 세계에 쓰이길”

게다가 뇌와 척수 임플란트 전원을 꺼도 임상 환자는 지팡이를 짚고 걸을 수 있을 정도로 회복했다. 본래 갖고 있던 신경 네트워크가 어느 정도 회복됐다는 뜻이다. 연구를 이어가다 보니 어떤 신경세포가 회복을 이끄는지까지 알게 됐다.

“정말 운이 좋았어요. 우리가 주던 전기 자극이 특정 신경 세포를 활성화했고, 이게 신경 네트워크를 회복하도록 도왔죠.” 쿠르틴 교수가 연구 중 알게 된 것들에 대해 설명했다. 연구진은 특정 신경세포의 정체도 밝혔다. 쥐로 실험해 봤더니, 척수 임플란트가 척수 신경으로 전기 자극을 주면 Vsx2라는 유전자를 발현하는 신경세포가 활동을 시작하며 신경을 회복했다. 두 연구자는 이를 바탕으로 유전자 치료제 연구도 이어가고 있다. ^{doi: 10.1038/s41586-022-05385-7}

한편 두 교수는 요즘 혈압 연구에도 집중하고 있다. 마비 환자들의 척수에 자극을 주다 보니, 마비 환자들이 흔히 겪는 혈압 문제도 해결된 것이다. 척수 손상이 생기면, 교감 신경이 혈관을 잘 조절하지 못해 저혈압이나 고혈압 같은 혈압 문제를 동반한다. 두 교수는 척수의 특정 부위를 자극하자 혈압 조절 능력이 돌아오는 걸 발견했다. “지금까지 모두 14명의 환자에게 임상시험을 해 봤어요.” 블로흐 교수가 하고 있는 임상시험 결과를 소개했다. “일흔이 된 한 임상환자가 있는데, 척수 자극을 받고 정상 혈압으로 회복했어요. 이제 더 이상 기절하지 않아도 되고, 스키를 타러 갈 수도 있을 정도로 회복했죠.”

두 교수는 앞으로 임상 환자를 더 늘려갈 계획이다. 내년부터 시작하는 대규모 임상시험으로 70명까지 임상 환자를 늘리고, 미국과 캐나다의 의료센터와 협업할 예정이다. 쿠르틴 교수는 “그 다음엔 아마 한국으로 갈 수도 있다”며 “한국 의사들과도 긴밀하게 논의하고 있다”고 설명했다.

또 다른 계획은 없냐고 묻자 두 연구자는 “전 세계 사람들에게 우리 기술이 쓰이도록 하는 것”이라고 입을 모았다. 뇌 임플란트와 척수 임플란트를 모두 이식한 환자는 오스캄 한 명이었지만, 2024년 9월 처음으로 여성 환자에게 이식했고 앞으로도 늘려갈 계획이다. “하반신 마비 환자가 병원에 들어와서 치료받고 바로 걸어 나가는 걸 은퇴 전에 보고 싶어요. 그런 일이 일어날 때까진 계속 연구할 겁니다.” 결연한 표정으로 쿠르틴 교수가 말했다.

▲Neuro X

023년 열린 뉴로X 연례 연구 심포지엄에서 뉴로X 연구자들이 함께 모였다.

신경과학, 공학, 의학 BCI 전문가가 ‘한 지붕’에 모인 이유

한 사람이 BCI 기술로 다시 걷기까지, 두 교수의 손만 거쳤을 리 없다. 쿠르틴 교수의 최근 논문 몇 개만 봐도 참여 저자가 30명은 거뜬히 넘는다. 쿠르틴 교수에게 물었더니 “신경과학자와 컴퓨터과학자, 신경외과 의사 등이 한 지붕 아래에서 진정한 결합을 이룬 게 핵심”이라고 했다. 그가 말한 ‘한 지붕’은 바로 그가 속한 뉴로X 연구소였다.

뉴로X 연구소는 2022년 로잔연방공대에 문을 연 연구소의 이름이다. 생명과학대, 공과대, 컴퓨터 및 커뮤니케이션 과학대 3개의 단과대학이 일부 합쳐진 구조다. BCI 연구에 세 분야 전문가가 모두 필요하기 때문이다. 소속 교수는 모두 14명으로 신경과학, 컴퓨터과학, 기계공학, 의학 등 전문 분야가 다양하다. 그야말로 BCI를 위한 최고의 전문가들이 마치 ‘어벤져스’처럼 힘을 합쳐 새로운 기술혁신을 이뤄내는 곳이었다. 이곳엔 어떤 연구자들이 있을지 다른 연구실도 짧게 둘러봤다.

꽃처럼 피는 칩, 새끼 손톱보다 작은 초소형 칩

“뇌에 발생하는 상처를 최소화할 수 있는 꽃 모양 칩을 개발하고 있어요.” 뉴로X 연구소장인 스테파니 라쿠르 로잔연방공대 교수는 BCI 연구 중 칩 개발에 참여하고 있다.

라쿠르 교수가 손바닥을 펼치자 기자에게 보여주려고 가져온 꽃 모양 칩이 보였다. 2023년 5월 논문으로 발표한 ‘펼쳐지는 꽃 모양 칩’이었다. ^{doi: 10.1126/scirobotics.add1002} “처음에는 각각의 꽃잎이 작은 캡슐 안에 접혀 있다가 이걸 두개골 안으로 밀어 넣으면 그때 펼쳐지기 시작해요. 그럼 두개골에 작은 구멍만 뚫어도 되죠.”

라쿠르 교수가 펼친 꽃잎을 만져봤다. 꽃잎 하나하나는 모두 유연한 소재로 만들어져 손으로도 쉽게 접을 수 있었고, 그 위로 매우 얇은 금속 회로가 그려져 있었다.

또 다른 공학자 마샤 쇼아란 로잔연방공대 교수도 개발 중인 칩을 보여줬다. 쇼아란 교수는 연구실 한쪽, 거의 보이지도 않는 무언가를 가리켰다. 가까이 다가가 보니 기자의 새끼손톱보다도 작은 칩이었다.

“칩 전체 면적은정도인데요, 이 칩이 뇌 신호를 받고 분석하는 것까지 혼자 다 할 수 있어요.” 쇼아란 교수가 설명을 덧붙였다. 원래 BCI 기술을 적용하려면, 몸에 이식하는 칩과 이 신호를 받아들여 해석하는 외부 컴퓨터가 필요한데, 이걸 손톱보다 작은 칩 하나에 다 넣었다는 뜻이다. ^{doi: 10.1109/JSSC.2024.3443254}

아직 두 기술은 모두 동물실험 단계까지만 진행됐다. 이후 과정을 위해 두 과학자는 모두 쿠르틴 교수, 블로흐 교수와 협업을 진행 중이다. 준비가 되면 임상시험에도 도전해 볼 생각이다. 쇼아란 교수는 “파킨슨병이나 뇌졸중 환자의 신경 신호를 해석하는 칩도 개발하고 있다”며 “앞으로 2~3년 안에 임상 결과를 발표할 수 있길 기대하고 있다”고 밝혔다.

▲2023 EPFL/Alain Herzog

스테파니 라쿠르 로잔연방공대 교수는 펼쳐지는 꽃 모양의 칩을 개발했다. 가운데 작은 캡슐에 꽃잎이 접혀 있다가 두개골에 삽입된 후 부드럽게 펴진다.

공통 목표는 실제 환자에 적용, 다학제 연구 이어갈 것

컴퓨터 과학을 연구하는 마틴 슈림프 로잔연방공대 교수도 목표가 ‘임상시험’인 건 마찬가지였다. 그는 2023년 6월 뉴로X 연구소에 합류한 젊은 과학자로, 지금은 BCI의 기초를 다지는 연구를 하고 있다. “뉴로 인공지능(AI) 연구자”라고 자신을 소개한 슈림프 교수는 “우리 뇌의 작동 방식을 그대로 옮긴 컴퓨터 모델 ‘디지털 트윈’을 개발하고 있다”고 밝혔다.

디지털 트윈 연구는 지금까지 전 세계 연구자들이 측정한 뇌 신경신호, 기능적 자기공명영상(fMRI) 등의 데이터를 모아 AI 모델에 학습시키고 우리 뇌와 닮은 모델을 만드는 연구를 뜻한다. 이게 가능해지면 뇌에서 나오는 신호만으로 인간이 어떤 행동을 하려는지 그 의도를 정확히 해석할 수 있고, 컴퓨터 모델에 인위적으로 변화를 줘 특정 질환이 생기는지를 살펴볼 수도 있다. 슈림프 교수는 “인간의 뇌와 아예 다른 모델을 0, 완전히 똑같은 모델을 1이라고 했을 때 지금 수준은 0.5~0.6 정도”라고 설명했다.

당장 이 기술을 신경 보철이나 치료에 활용할 순 없는 이유다. 슈림프 교수는 “지금 하는 연구의 첫 번째 목적은 기초과학”이라며 “우리가 어떻게 생각을 하고, 세상을 보고, 대화를 나누는지를 알아내는 것”이라고 설명했다. 하지만 슈림프 교수의 궁극적인 목표도 인간에 적용하는 것. 그는 “가장 기대하는 목표는 개발한 AI 모델을 뉴로X 연구소에서 임상에 적용해 보는 것”이라고 말했다.

앞서 만나본 전문가들은 모두 긴밀하게 협력하고 있었다. 쿠르틴 교수의 연구에 라쿠르 교수나 쇼아란 교수가 만든 칩이 쓰이고, 또 이를 어떻게 이식해야 할지 블로흐 교수가 고민하는 식이다.

이렇게 다학제간 연구가 필요한 BCI 분야 특성 때문에 로잔연방공대는 오래전부터 협력 연구를 중요하게 여겨 왔다. 10여 년 전부터 신경보철센터를 만들어 뇌-기계 인터페이스를 활용한 신경 재활 연구를 해 왔고, 이를 개편해 2022년 뉴로X 연구소를 새로 열었다.

뉴로X 연구소장인 라쿠르 교수는 “뉴로X 연구소는 꽤 최근에 생긴 독특한 컨소시엄”이라고 설명했다. “신경보철센터에서 연구해 보니 전문가들이 서로의 전문 지식을 수용할 수 있는 더 장기적인 구조가 필요하다고 느꼈다”며 뉴로X 연구소가 태어난 이유를 전했다. 라쿠르 교수가 언급한 장기적인 구조의 한 축은 인재 양성이 담당한다. 뉴로X 연구소를 열면서 동시에 석사 프로그램도 운영하기 시작했고 올해 초 첫 석사 졸업생을 배출했다. 또 미래를 위해 기초과학을 연구할 슈림프 교수 같은 젊은 과학자도 영입했다.

뉴로X 연구소가 얼마나 앞서갈 것이라 보냐는 질문에 라쿠르 교수는 “어느 정도로 앞서갈지 단정해서 말할 수 없지만 뉴로X 연구소의 밀접한 다학제 연구는 큰 차이이자 장점”이라며 “다양한 학문 간에 아이디어를 빠르게 교환하고 필요한 게 뭔지, 기회가 뭔지 공유하는 게 뉴로X 연구소의 가치”라고 설명했다.

▲2024 EPFL/Lundi13

1 마샤 쇼아란 로잔연방공대 교수는 새끼손톱의 약 4분의 1 크기인 8mm의 BCI 칩을 개발했다. 이 칩만으로 뇌 신호를 받고 분석하는 것까지 모두 할 수 있다. 2 신수빈 기자(왼쪽)가 쇼아란 교수의 연구실에서 초소형 칩을 보며 설명을 듣고 있다.