매튜 윌시(Matthew Willsey)는 패러드로믹스(Paradromics)의 첫 장기 뇌 칩 이식 수술을 집도한 의료진을 이끌었습니다.
윌시는 전기공학을 공부하던 시절 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)에 처음 관심을 갖게 되었습니다.
그는 이 기술이 널리 보급되려면 뇌 칩 이식 수술이 일상적인 의료 절차가 되어야 한다고 말합니다.
이 글은 뇌-컴퓨터 인터페이스를 전문으로 하는 신경외과 의사 매튜 윌시와의 대화를 바탕으로 작성되었으며, 분량 조절과 내용의 명확성을 위해 편집되었습니다.
신경외과 의사가 되기 전, 저는 전기공학자였습니다.
저는 MIT에서 학사 학위를 받고 전기공학 석사 과정을 밟았습니다. 디지털 신호 처리 분야를 개척한 앨런 오펜하임(Alan Oppenheim) 교수님의 지도하에 석사 논문을 작성했습니다.
신호 처리는 신호에서 정보를 추출하는 방법을 다루는 분야입니다. 여러 면에서 이는 우리가 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)를 통해 하는 일과 비슷합니다.
2009년 무렵, 뇌에 전극을 이식한 사람이 컴퓨터 커서나 로봇 팔을 제어하는 영상을 보았는데, 그때 "내 인생에서 본 것 중 가장 멋진 일이야"라고 생각했던 기억이 납니다.
그것이 제게는 깨달음의 순간이었습니다.
저는 곧바로 텍사스에서 한 신경외과 의사를 따라다니며 참관 실습을 했습니다. BCI 기술을 접한 뒤 실제 수술 과정을 지켜보면서, 신경외과가 제게 맞는 진로라는 확신을 갖게 되었습니다.
저는 베일러 의과대학(Baylor College of Medicine)에 진학했고, 이후 미시간 대학교의 신경외과 전공의 과정에 합격했습니다. 그곳에서 3년 동안 연구에 매진하며 BCI를 주제로 박사 학위를 취득했습니다.
현재 저는 뇌 심부 자극술과 뇌전증을 전문으로 하는 기능 신경외과 분야에서 진료하고 있으며, BCI를 연구하는 실험실도 운영하고 있습니다.
윌시(Willsey)와 패러드로믹스(Paradromics) 팀이 장치 구성 요소를 연결하고 시험하고 있다. (사진: Carrie Pitzer/미시간 대학교 미시간 메디슨)
뇌의 기능은 대체로 정상적이지만 질병이나 부상으로 인해 문제가 발생하는 경우가 있습니다. 환자는 어떻게 움직이고 싶은지, 무슨 말을 하고 싶은지 알고 있지만, 뇌와 신체 또는 입을 연결하는 경로가 차단되거나 손상된 상태인 것입니다.
예를 들어, 루게릭병(ALS) 환자는 하고 싶은 말을 알고 있어도 실제로 말을 할 수는 없습니다.
BCI(뇌-컴퓨터 인터페이스)는 뇌 활동을 기록하고 패턴을 인식하여 사용자의 의도를 파악하려는 기술입니다. 이를 통해 화면에 텍스트를 표시하거나 로봇 팔 또는 컴퓨터 커서를 제어하는 신호를 보낼 수 있습니다.
패러드로믹스의 시스템은 체내에 완전히 이식할 수 있도록 설계되었습니다. 기존 연구실에서 사용되던 많은 BCI도 뇌에 이식하는 방식이었지만, 컴퓨터와 연결하기 위해 피부 밖으로 선을 빼내야만 했습니다.
이러한 장치를 대규모로 보급하려면 이상적으로는 체내에 완전히 이식 가능한 시스템이 필요합니다. 사람들은 컴퓨터에 연결된 상태로 묶여 있기를 원하지 않기 때문입니다.
이 시술은 재현 가능해야 합니다.
이 과정은 신중한 환자 선정을 바탕으로 합니다. 즉, 시술을 통해 효과를 볼 수 있을 만큼의 증상은 있으나, 수술이 위험할 정도로 상태가 심각하지는 않은 환자를 선정해야 합니다.
수술은 두개골 부위부터 시작했습니다. 절개를 가하고 뼈를 제거한 뒤, 뇌를 감싸고 있는 막인 경막을 열어 대뇌 피질을 노출시켰습니다.
수술용 내비게이션 시스템, 육안 확인, 그리고 수술 전 영상 자료를 활용하여 어레이(array)나 임플란트를 삽입할 정확한 위치를 파악할 수 있습니다.
윌시는 실시간 영상 유도 장비를 사용하여 임플란트 삽입 위치를 계획합니다. (사진: Carrie Pitzer/미시간 대학교 미시간 메디슨)
전극 어레이를 뇌 표면에 조심스럽게 얹은 뒤 대뇌 피질 내부로 삽입합니다. 리드(전선)를 고정하고 경막을 봉합한 다음 뼈를 제자리에 다시 덮고 나면, 송수신기(트랜시버)를 넣기 위해 가슴 부위를 절개합니다. 이때 뇌에 장착된 부품과 가슴 쪽 부품을 연결하는 연장 리드가 피부 아래를 통과해 이어집니다.
수술실을 나오기 전에는 전극이 뇌에 제대로 자리 잡았는지, 출혈은 멈췄는지, 조직은 적절히 봉합되었는지, 그리고 시스템 전체가 정상적으로 신호를 주고받는지 확인해야 합니다.
수술 자체는 약 4시간 정도 소요됩니다.
수술적 관점에서 볼 때 이 시술은 기존 수술과 기술적으로 크게 다르지 않습니다. 신경외과 의사라면 누구나 개두술을 통해 뇌에 접근하는 방법을 알고 있기 때문입니다. BCI(뇌-컴퓨터 인터페이스) 기술을 널리 보급하려면 신경외과 의사들이 이 시술을 쉽게 익히고 수행할 수 있어야 합니다.
앞으로 이러한 시술이 반복적으로 시행되면서 점차 일상적인 수술로 자리 잡기를 기대하고 있습니다.
이번 수술은 한 단계 더 나아간 것입니다.
수술 과정 대부분은 평소와 다름없이 진행되었습니다.
하지만 피질 위에 어레이를 배치할 때, 잠시 멈춰 서서 '좋아, 이제 시작이야. 모든 게 제대로 작동하기만 한다면 정말 큰 진전이 될 거야'라고 생각하는 순간들이 있었습니다.
윌시는 참가자의 가슴에 이식하기 전 송수신기를 들어 보이고 있다. (미시간 대학교 및 파라드로믹스)
그런 다음 다시 집중 모드로 돌아가야 합니다.
근본적으로 모든 외과의사는 무엇보다 환자의 안전을 최우선으로 생각합니다. 환자가 깨어나면 수술 후 검사를 진행하게 되죠. 환자의 상태가 양호한 것을 확인하고 나면 비로소 한 걸음 물러서서 이런 생각을 하게 됩니다. '와, 우리가 정말 새로운 뇌-컴퓨터 인터페이스를 이식받은 환자를 마주하는 단계에 이르렀다니 믿기지 않는군.'
말 그대로 다음 단계로 나아가는 팀의 일원이 될 수 있어 정말 뜻깊었습니다.
제가 의학의 길로 들어선 주된 이유 중 하나는 이러한 새로운 치료법이 필요한 사람들에게 이를 제공하는 데 기여할 기회를 얻기 위해서였습니다.
그런 일을 할 수 있는 기회를 가졌다는 것은 제게 큰 보람이었습니다.
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