우리는 뇌에 대해 얼마나 알고 있을까. 인류는 수천 년간 인간의 뇌를 연구해왔다. 하지만 궁금증은 여전하다. 체중의 2%밖에 차지하지 않는 뇌는 체내 에너지의 20%를 소비하는, 가장 복잡한 생물학적 구조임이 틀림없다. 신경외과 분야의 세계 최고 권위자 중 한 명인 정천기 교수가 뇌에 관해 설명했다.

“뇌 전체를 대표하는 기능 중에서 가장 중요한 한 가지는 ‘언어’입니다. 보통 뇌의 좌측 전두엽과 측두엽에서 언어 기능을 담당한다고 알려졌지만, 실제 뇌가 작용하는 것을 보면 우반구의 역할이 상당하지요. 원활한 의사소통을 위해선 뇌 전체를 다 써야 한다는 말입니다. 인간이 다른 동물보다 크고 촘촘하게 발달한 뇌를 가지고 있는 것 또한 우리가 언어를 쓰기 때문입니다.”

세계적으로 뇌와 컴퓨터를 연결하는 브레인-컴퓨터 인터페이스^{BCI, Brain-Computer Interface} 연구가 활발해진 지금, 그가 해당 과제의 최종 목표로 ‘말소리를 통한 원활한 의사소통’을 꼽은 것 역시 그 생각의 일환이다. 지금껏 인간의 운동 기능, 사고 기능 향상에 이바지한 BCI 연구는 많았지만, 타인과 원활한 의사소통을 가능하게 하는 수준으로 발달한 언어 기능에 관한 연구는 드문 편. 정 교수 또한 수십 년간 기본적인 인간의 기능과 뇌신경 활동 간의 관계를 연구한 끝에 뇌의 궁극적인 기능 ‘언어’에 도전하게 되었다.

본 과제의 최종 목표는 사고나 질병으로 말을 하거나 듣는 기능을 상실한 사람에게 타인과 대화할 수 있도록 하는 것이다. 자기 생각을 음성으로 표현하고, 타인의 말을 실시간으로 이해할 수 있도록 말이다. 연구팀은 5살 어린아이가 구현할 수 있는 문장 단위의 소통 수준까지 고도화할 계획이다. 이를 위해서는 인터페이스 기술이 핵심이다. 인터페이스란 서로 다른 두 시스템, 그러니까 사용자와 기계 간의 상호작용을 가능하게 하는 기술이다. 달리 말하면 서로를 이어주는 다리 역할의 기술인데, 이것이 있어야 정보를 주고 명령을 실행할 수 있다.

“인터페이스 기술을 통해 뇌의 전기적 신호를 말소리로 바꾸고, 다른 사람들의 말소리를 다시 전기신호로 뇌에 전달할 수 있게 됩니다.”

물론 실제 사람이 목소리를 내서 말을 전하는 것은 아니다. 뇌의 신호를 받은 외부 기기가 이를 음성으로 변환해 전달하게 된다. 그런데, 왜 하필 말소리일까.

“기술은 사람을 위해 발전해야 합니다. 특히 신체의 불편을 겪고 있는 사람에게 도움이 되는 것이 가장 가치 있지요. 장애는 저마다의 불편을 수반하지만, 제가 생각할 때 가장 힘들고 외로운 장애는 말을 하고 듣는 데 어려움이 있는 것 같아요.”

외국인들 사이에 외국어를 하지 못하는 한국인이 홀로 있다면 어떨까. 번역기로 소통은 할 수 있겠지만, 스스럼없이 웃고 떠드는 무리 가운데서 고립감을 느낄 터. 수화로 의견을 전하는 청각장애인의 불편 또한 다르지 않다는 말이다.

정 교수 연구팀의 과제는 ‘쌍방향 의사소통 기술’을 연구한다는 데 남다른 의미가 있다. 현재 ‘나’의 의사를 전하는 기술은 비교적 많은 곳에서 연구되고 있고, 정 교수팀 또한 관련 기술의 특허를 준비하고 있다. 반면 타인의 말소리를 뇌로 전달하는 연구는 극악의 난이도로 꼽힌다. 정 교수 역시 꾸준한 실패를 통해 정답으로 가는 실마리를 찾고 있다. 답보 상태의 연구에도 불구하고 매일 연구실에서 밤을 지새우는 까닭은 ‘폐회로^Closed-loop 제어 시스템’을 완성하기 위해서다.

폐회로 제어 시스템을 단순화해서 쉽게 설명하면 ‘검증 시스템’이라고 할 수 있다. 뇌 신호는 매우 복잡하고 불안정하므로 특정 단어나 문장을 정확하게 해석하는 데 어려움이 크다. 그 때문에 사용자가 의도한 문장과 출력한 문장의 의미가 같은지 검증하는 절차가 필요하다. 이에 폐회로 제어 시스템을 통해 출력한 합성된 음성을 사용자에게 전달해 자신의 의도와 같은지, 다른지를 확인하는 것이다. 이로써 의사소통의 오류를 줄이고 원활한 대화를 이어나갈 수 있다.

그렇다면 어떤 방법으로 뇌에 전기적 신호를 가하고, 뇌의 신호를 읽어낼 것인가. 뇌에 전극을 가하는 과정에서 위험성은 없는지도 짚어봐야 할 문제, 이에 관해 물었다. 정 교수는 “기술의 이익이 월등하다면!”이라고 답했다.

“스마트폰을 예로 들어보죠. 전자파 문제는 차치하더라도 눈이나 관절에 끼치는 영향이 상당합니다. 하지만 우리는 스마트폰을 놓지 않아요. 왜일까요? 비교하기 힘들 만큼 편하니까요.”

평생 사람을 살리는 일을 해온 그였다. 뇌의 신호를 읽는 전극 장치 개발에도 안전성에 중점을 두었다.

임상시험을 진행 중인 다른 연구에서는 두개골을 여는 시술을 통해 전극을 삽입한다. 뇌 속에 위치해 신호를 읽는 기능은 뛰어나지만, 부작용 문제에서 벗어날 수 없다. 반면 정 교수팀은 주사기를 통해 전극을 삽입하는 방법을 택했다. 시술을 위해 두개골을 열 필요가 없으며, 대뇌피질 겉면에 부착하기 때문에 상대적으로 안전하다. 뇌의 겉면에 동전 크기의 전극을 붙이는 개념이다. 현재 개발된 BCI 인터페이스 전극 가운데 가장 위험도가 낮고, 추후 제거에도 용이하다.

“인터페이스 기술이 중요한 이유가 여기에 있어요. 원천기술을 잘 구축한 후에는 무엇이라도 연결할 수 있거든요. 향후 어떤 기기와도 연결할 수 있고, 반대로 뇌의 여러 기능을 향상하는 데도 쓰일 수 있을 거라고 봅니다.”