수술실 내부 의사들이 혁신적인 뇌-컴퓨터 임플란트를 테스트하다

 

환자에게 일시적으로 이식된 장치, 표준 치료로 한 걸음 더 나아가다

 

제프리 키퍼는 미국에서 가장 오래된 병원의 수술대 위에 수술팀, 엔지니어 그룹, 의료 혁명의 초기 단계를 목격하기 위해 모인 관중들에게 둘러싸여 누워 있었습니다.

키퍼는 파킨슨병 증상을 완화하기 위해 뇌수술을 받고 있었지만, 어차피 두개골을 약 4시간 동안 열어둘 예정이었기 때문에 뇌-컴퓨터 인터페이스라는 실험 장치를 일시적으로 이식하는 데 동의한 상태였습니다.

프리시전 뉴로사이언스에서 개발한 이 장치는 25분 동안 키퍼의 뇌 표면 위에 앉아 그의 마음을 읽었습니다. 그 시간 동안 엔지니어들이 키퍼의 뇌 신호를 그의 움직임과 일치시키는 동안 그는 손으로 일련의 운동을 수행했습니다.

목표는 마비 환자에게 생각으로 컴퓨터를 조작할 수 있는 능력을 부여하는 장치를 훈련시키는 것입니다.

 

 

 

Precision은 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)의 상용화를 위해 경쟁하는 여러 회사 중 하나입니다. 수요일, 엘론 머스크의 뉴럴링크는 자사의 인터페이스를 이식한 첫 번째 사람을 소개했습니다. 29세의 사지 마비 장애인인 놀란드 아르보(Noland Arbaugh)는 9분 동안 X에서 스트리밍된 프레젠테이션에서 자신의 생각을 이용해 체스 게임을 플레이했습니다.

신체적 움직임은 척수나 뇌간을 통해 전달되는 뇌의 전기 신호에서 시작되지만, 마비된 사람은 신호가 막다른 골목에 부딪히게 됩니다. BCI는 디지털 바이패스를 제공하여 소스에서 신호를 캡처하고 컴퓨터로 명령을 전달합니다.

Precision의 최고 과학 책임자이자 공동 설립자인 벤자민 라포포트 박사는 그 필요성이 매우 크다고 말합니다. 그는 현재 40만 명의 중증 장애 환자가 있으며, 매년 3만 명 정도의 새로운 환자가 발생한다고 말합니다. BCI는 이들이 어느 정도 독립성을 되찾는 데 도움이 될 수 있습니다.

 

"2024년에 세계 시민이 되고, 사랑하는 사람들과 소통하고, 생계를 유지하려면 디지털 시스템으로 작업할 수 있는 능력이 필수적입니다."라고 Neuralink의 공동 창립자이기도 한 라포포트는 말합니다. "워드 프로세서를 조작하는 것은 완전히 혁신적인 일입니다."

환자

 

올해 71세인 키퍼는 실험에 참여하고 월스트리트 저널 팀이 관찰하는 데 기꺼이 동의했습니다. 그는 의학 발전을 위한 노력에 드는 시간과 비용을 잘 알고 있었고, 그 자신의 여정도 길었다는 것을 알고 있었습니다.

17년 전, 그는 팔이 경련을 일으켜 신경외과 의사의 진료실을 찾은 적이 있었습니다. 진단은 신속하고도 치명적이었습니다: 의사는 파킨슨병이라고 말했습니다.

당시 듀폰의 최고 재무 책임자였던 키퍼는 "충격을 받았습니다."라고 회상합니다.  

키퍼의 떨림과 같은 가벼운 증상이 먼저 나타납니다. 시간이 지남에 따라 떨림, 뻣뻣함, 경직, 얼어붙음이 시작됩니다. 움직임을 조절하거나 전혀 움직일 수 있는 능력이 감소합니다. 마지막에는 많은 환자가 삼키는 데 어려움을 겪습니다. 주요 사망 원인은 음식이나 음료를 삼키지 않고 숨을 들이마실 때 발생하는 감염인 흡인성 폐렴입니다.

 

암울한 전망에 직면한 키퍼는 결단을 내렸습니다: "집에 가서 TV 앞에 앉아서 우울증으로 인해 인생에서 은퇴하거나, 아니면 스스로를 일으켜 가치 있는 일을 할 수 있습니다."라고 그는 말했습니다.

그 이후로 키퍼는 파킨슨병을 위해 자신의 시간과 소액의 재산을 기부하고 여러 파킨슨병 단체의 이사회에서 봉사했으며 한때 마이클 J. 폭스 재단의 이사장을 맡기도 했습니다.

 

실험

 

수술 당일, 키퍼는 수술 준비를 위해 오전 8시경 필라델피아의 펜실베니아 병원에 도착했습니다. 의사의 지시에 따라 그날 아침 파킨슨병 약을 먹지 않은 키퍼의 오른팔은 마치 열리지 않는 문고리를 덜컹거리는 것처럼 계속 흔들리고 있었습니다.

수술 전 엔지니어들은 할리우드에서 모션 캡처 애니메이션에 사용하는 것과 같은 센서가 장착된 검은색과 파란색의 밀착형 장갑을 그에게 착용시켰습니다.

키퍼는 "골프 장갑과 똑같아요."라고 말하며 손을 흔들며 웃었습니다.

 

센서를 보정하기 위해 팀은 그에게 주먹을 쥐고, 돌리고, 손가락을 벌렸다가 닫고, 손가락을 공중에서 북치고, 엄지로 손바닥을 치고, 평평한 손을 들고 평화 기호를 만들라고 지시했습니다.

정오 무렵, 그는 수술실로 옮겨졌고 신경외과 전문의인 이안 카지가스 박사가 두피를 약간 벗겨내고 두개골 양쪽에 동전 크기의 구멍을 뚫었습니다. 이 구멍을 통해 카지가스는 나중에 뇌심부자극술로 키퍼의 파킨슨병을 치료할 수 있게 되었습니다.

하지만 먼저 의사는 뇌-컴퓨터 인터페이스를 키퍼의 뇌 표면에 밀어 넣었습니다.

 

가볍게 진정제를 맞고 있던 키퍼가 깨어나고 연구가 시작되었습니다. 신호에 따라 그는 앞서 연습한 세 가지 제스처를 수행했습니다: Rock. Paper. 가위.

제스처의 이미지가 그의 앞에 놓인 컴퓨터 화면에 무작위 순서로 나타났습니다. 그가 왼손으로 각각의 동작을 맞추자 화면에는 커다란 녹색 글자로 "성공"이라는 단어가 번쩍였습니다.

그런 다음 키퍼는 장갑을 낀 손을 움직이지 않고 화면에 나타난 제스처를 상상하며 제스처를 취하도록 지시받았습니다.

 

근처에는 한 쌍의 컴퓨터가 키퍼의 뇌 신호를 표시하고 기록했습니다. 키퍼의 뇌 활동을 실시간으로 포착하는 전극을 시각적으로 표현한 점 그리드에 생각은 소용돌이치는 색채의 물결로 나타났습니다.

"이것이 바로 제품입니다."라고 라포포트는 말했습니다. "이것이 목적입니다. 움직임이 없을 때 뇌가 무슨 생각을 하는지 알 수 있다는 것을 확인하기 위해서입니다."

 

장치

정밀 신경과학의 무선 뇌-컴퓨터 인터페이스가 작동하는 방식

1. 뇌 표면에 배치된 전극은 실시간으로 뇌 신호를 포착합니다.

2. 두개골과 두피 사이에 놓인 컴퓨터 칩 패키지는 뇌 신호를 컴퓨터 코드로 변환하는 인공 지능 앱에 무선으로 연결됩니다.

3. 피부 아래, 목 아래로 흐르는 와이어가 가슴에 내장된 안테나와 배터리에 인터페이스를 연결합니다.

 

키퍼의 뇌에 임시로 이식된 BCI는 Precision Neuroscience의 레이어 7 피질 인터페이스였습니다.

이 플로피 임플란트는 길이 약 5인치, 너비 0.5인치, 머리카락보다 얇은 두께입니다. 유연한 노란색 폴리머로 된 외부는 뇌 표면에 밀착되어 있으며 한쪽 끝에는 1,024개의 전극이, 다른 쪽 끝에는 커넥터가 있습니다.

장치의 이름은 시각 및 청각 정보를 움직임으로 변환하는 등 감각 입력과 운동 출력을 조정하기 위해 함께 작동하는 뇌의 6가지 층을 윙크하는 의미로 붙였습니다. Precision의 인터페이스가 일곱 번째 레이어 역할을 하도록 설계되었습니다.

 

앞으로는 전용 수술 중에 BCI를 이식할 때 어레이를 수용할 수 있을 정도로만 절개하여 전극을 뇌 표면에 배치할 것입니다. 커넥터는 은화 2.5온스 크기의 컴퓨터 칩 패키지를 겹겹이 쌓아 올려 부착할 것입니다. 패키지는 두피와 두개골 사이에 놓이게 되며, 피부 아래를 지나 목을 따라 가슴에 내장된 안테나와 배터리로 연결되는 와이어가 있습니다.

이 장치의 컴퓨터 칩은 전극이 포착한 뇌 신호를 컴퓨터 코드로 변환하는 인공 지능 앱에 무선으로 연결되어 마우스를 움직이거나 단어를 입력하거나 기타 디지털 작업을 수행합니다.

"제게는 놀라운 일입니다."라고 라포포트는 말합니다. "거의 공상 과학 소설에나 나올 법한 일이죠."

 

혁신가

 

신경외과 의사이자 전기 엔지니어인 라포포트는 레이어 7 인터페이스의 혁신가입니다.

하버드와 MIT를 졸업한 라포포트는 뉴욕의 마운트 시나이 병원에서 양성 뇌종양 제거를 위해 일주일에 두세 차례 수술을 집도하는 최소 침습 뇌수술 전문의로, 주로 양성 뇌종양 제거 수술을 담당합니다.

Precision의 공동 설립자이자 최고 경영자인 마이클 매거(Michael Mager)는 "벤이 없었다면 이 일을 할 수 없었을 것입니다."라고 말합니다. "그는 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술을 개척하기 위해 평생을 준비해 왔습니다."

 

2015년에 회사를 창업하겠다는 아이디어가 떠올랐지만, 머스크가 Neuralink에서 일할 것을 제안하면서 라포포트는 초기 계획을 접었습니다.

라포포트는 뉴럴링크에서 약 2년간 근무하다가 BCI 설계에 대한 자신의 생각이 다르다는 것이 드러나자 퇴사했습니다: 프리시전의 전극이 뇌 표면에 있는 반면, 뉴럴링크의 전극은 뇌 조직에 삽입되어 있습니다.

라포포트는 고해상도 데이터를 얻기 위해서는 뇌 조직에 최소한의 손상도 필요하지 않으며, 조직을 손상시키지 않고 이식 및 제거가 가능하다는 것이 Precision의 차별화된 특징이라고 생각했습니다.

뉴럴링크는 논평을 요청하는 이메일 요청에 응답하지 않았습니다.

프리시전과 뉴럴링크는 BCI를 실험실에서 벗어나 상업 시장으로 진출시키기 위해 경쟁하는 5개 회사 중 하나입니다. 다른 경쟁 업체로는 Blackrock Neurotech, Paradromics, Synchron이 있습니다.

라포포트는 시장이 두 개 이상의 회사를 수용할 것으로 보고 있으며, 그 증거로 뇌심부 자극 시스템과 심장 박동기를 각각 제조하는 애보트 래버러토리스, 보스턴 사이언티픽, 메드트로닉을 지목했습니다.

"두세 개의 승자가 나올 여지가 있습니다."라고 라포포트는 말합니다.

 

사업 계획

 

Precision과 Neuralink는 시장성 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스를 만든다는 목표는 공유하지만, 두 회사는 서로 다른 길을 걸어왔습니다.

데이터 제공업체 PitchBook에 따르면 Neuralink는 2016년에 설립되어 6억 8,700만 달러 이상의 자금을 조달했습니다. 지난 5월, 머스크는 뉴럴링크가 미국 식품의약국의 인체 임상시험 허가를 받았다고 발표했습니다. 그리고 지난 1월, 머스크는 트위터를 통해 뉴럴링크가 회사 설립 후 7년여 만에 처음으로 사람에게 이식한 장치를 이식했다고 밝혔습니다.

2021년에 설립된 Precision은 단계적으로 장치를 출시하고 있으며, 영구적이지는 않지만 단기간에 더 많은 장치를 이식할 수 있는 비즈니스 결정을 내렸습니다. 이 회사는 지난 4월부터 FDA 승인이 필요하지 않은 임상 연구를 진행하면서 11명의 환자에게 임시로 장치를 이식했습니다.

키퍼가 참여한 연구와 같은 이러한 연구는 참여 병원과의 현지 계약에 따라 다른 뇌 수술 중에 진행되어야 합니다. 비록 일시적이지만, 이를 통해 Precision은 시스템을 테스트하고 고해상도 신경 데이터를 축적할 수 있었습니다.

그 다음에는 FDA의 허가를 받아 최대 30일 동안 환자에게 유선 버전의 BCI를 이식하는 것을 목표로 하고 있습니다. 이 1세대 장치는 수술 중 신경외과 의사를 안내하는 고해상도 뇌 매핑 도구로 기능할 것입니다.

 

덜 정교하지만 유사한 도구가 이미 존재하며, 기존 제품과 유사한 새로운 의료 기기에 대한 510(k) 허가를 받을 수 있는 길을 열어두고 있습니다. 이 회사는 올 여름에 허가를 신청할 예정이며, 승인을 받으면 이르면 내년에 30일 임플란트를 출시할 계획입니다.

 

 

 

가까운 시일 내에 임시 유선 버전의 BCI를 출시하면 Precision이 영구 장치를 개발하는 동안 수익을 창출할 수 있을 것이라고 Mager는 말했습니다. "우리는 또한 임상적으로 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다."라고 CEO는 말했습니다. 또한 이 회사는 병원, 관리자, 외과의사 및 간호 직원과의 관계를 발전시킬 것입니다.  

지금까지 Precision은 웨스트 버지니아 대학교의 록펠러 신경과학 연구소, 펜실베이니아 대학교의 페렐만 의과대학, 마운트 사이나이의 아이칸 의과대학과 협력 관계를 맺었습니다.

2028년까지 FDA로부터 영구 무선 장치를 마비 환자에게 이식할 수 있도록 시판 전 승인을 받기를 희망하고 있습니다.

재정적 실현을 위해 Precision은 공공 및 민간 의료 보험의 막대한 환급에 기대를 걸고 있다고 마거는 말했습니다.

"미국에서 마비는 수십억 달러 규모의 시장이라고 생각합니다."라고 매거는 말합니다. "이는 건전한 환급을 전제로 하며, 건전한 환급이란 지속 가능한 산업을 만들기 위해 6자리 수 환급이 필요하다는 뜻입니다."

 

의료 기기 및 디지털 제품 상용화를 전문으로 하는 Avalere의 헬스케어 컨설턴트 브리짓 케이-바푸어에 따르면, 이는 낙관적인 전망일 수 있습니다.

"급여화 측면에서는 아직 시장이 그 단계에 도달하지 못했습니다." 하지만 "문이 닫혔다고 말하진 않겠습니다."라고 Kyei-Baffour는 말합니다.

그녀는 보험 적용 범위, 가격 책정 및 환급은 제품의 효능, 안전성 및 건강 결과 개선 가능성에 대한 임상 및 경제적 증거에 영향을 받을 것이라고 말했습니다.

 

수술 후 

 

키퍼의 뇌 수술 도중 프리시전의 연구가 완료되자 라포포트는 신경외과 의사인 카지가스에게 박수를 보내고 수술 팀원들에게 일일이 감사의 인사를 전하며 수술실을 빠져나갔습니다.

그는 프리시전의 엔지니어들에게 다다랐을 때 잠시 멈춰서서 축하 인사를 건넸습니다: "수고하셨습니다."

 

BCI 실험을 위해 모인 일행이 수술실을 빠져나가자 카지가스는 키퍼의 파킨슨병 시술을 계속했고, 이번에는 뇌심부 자극 전극을 영구적으로 이식해 충동을 조절함으로써 증상을 완화할 수 있는 시술을 진행했습니다.

며칠 후 키퍼는 "모든 것이 괜찮다"고 말했습니다.

그는 Precision의 기술을 통해 개인적으로 혜택을 받을 수는 없겠지만, 그에게는 그게 중요한 게 아니었습니다.

"우리는 이런 일을 위해 몇 년을 기다릴 필요가 없습니다."라고 키퍼는 말했습니다. "차라리 몇 달을 기다리겠습니다. 제가 그 속도를 높이고 정보를 더 빨리 제공하여 사람들이 혜택을 받을 수 있도록 하는 데 일조할 수 있다면 못할 이유가 없죠."

 

 

 

 

 

※Source: The Wallstreet Journal

https://www.wsj.com/tech/biotech/inside-the-operating-room-doctors-test-a-revolutionary-brain-computer-implant-f69eb0c2?mod=hp_lead_pos7