초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
최근 급격히 발전하고 있는 뇌-기계 인터페이스 기술은 중증장애인이 생각만으로 로봇팔 등의 외부보조기기를 조절하여 손실된 운동기능을 복원할 수 있는 새로운 가능성을 제시함. 하지만 일상생활에서 사용 가능한 수준의 정밀한 뇌-기계 인터페이스 구현을 위해서는 상지 운동에 따른 체성감각을 대뇌에 피드백으로 제공해야 하며, 이러한 피드백에 따라 역학적으로 변화하는 뇌신경활동으로부터 정확한 운동정보를 추출할 수 있는 디코딩 기술 개발이 필요함. 본 연구팀의 연구목표는 피질 내부 혹은 외부에서 측정되는 뇌신호로부터

□ 연구의 목적 및 내용
최근 급격히 발전하고 있는 뇌-기계 인터페이스 기술은 중증장애인이 생각만으로 로봇팔 등의 외부보조기기를 조절하여 손실된 운동기능을 복원할 수 있는 새로운 가능성을 제시함. 하지만 일상생활에서 사용 가능한 수준의 정밀한 뇌-기계 인터페이스 구현을 위해서는 상지 운동에 따른 체성감각을 대뇌에 피드백으로 제공해야 하며, 이러한 피드백에 따라 역학적으로 변화하는 뇌신경활동으로부터 정확한 운동정보를 추출할 수 있는 디코딩 기술 개발이 필요함. 본 연구팀의 연구목표는 피질 내부 혹은 외부에서 측정되는 뇌신호로부터 3차원 상지운동 정보를 실시간 추출하기 위한, 1) 운동피질 내 뉴런들의 집단적 활동신호에서 복합 상지운동 상태(예: 팔운동속도 및 손동작)를 실시간 디코딩하는 집단뉴런 디코딩 기술, 2) 운동 및 감각 피질외신호(Electrocorticography; ECoG)에서 복합 상지운동 상태를 실시간 디코딩하는 ECoG 디코딩 기술, 3) 체성감각 피드백에 따라 변화하는 신경활동에서 최적의 운동 정보를 추출할 수 있는 통합형 인코딩 및 디코딩 기술을 개발하는 것임.
본 연구는 상지운동에 따른 체성감각이 대뇌로 피드백 되는 환경에서 대뇌신경활동으로 부터 3차원 상지운동정보를 최대한 정확하게 디코딩하여 실용적인 운동제어가 가능하도록 하는 것이 기본 목표임. 따라서, 외부 체성감각 정보를 뇌자극 신호로 변환하는 인코딩 기술 개발을 바탕으로, 체성감각 정보가 피드백 되었을 때 유도되는 뇌가소성 기반 감각-운동 연합 학습 과정에 따라 적응적으로 뇌신경 운동정보를 정확히 추출할 수 있는 디코딩 기술을 개발하고자 함.
이에 따라 사업의 1단계에서는, 영장류 및 휴먼의 대뇌신경신호로부터 3차원 상지운동 정보를 정확하게 예측하는 고성능 디코딩 기술을 개발하고, 대뇌신경자극으로 전달되는 체성감각정보와 운동정보가 대뇌에서 어떻게 연합되는지에 대한 메커니즘을 규명함. 1단계 세부개발 목표로는, 1) 집단 뉴런 신호 및 ECoG 신호 잡음 제거 전처리 기술 및 운동 특성 정보 추출 기술 개발, 1) 영장류 집단 뉴런 활동신호로부터 복합 3차원 상지 운동 상태 디코딩 기반기술 개발, 2) 휴먼 ECoG 신호로부터 복합 3차원 상지 운동 상태 디코딩 기반기술 개발, 4) 영장류 및 휴먼 실험을 통한 디코딩 기술 실시간 구현 및 검증, 5) 외부 체성감각 정보를 뇌자극 신호로 변환하는 인코딩 기술 개발할 것임.
사업의 2단계에서는, 1단계에서 개발한 디코딩 기술과 대뇌 감각-운동 연합 모델을 기반으로, 체성감각이 실시간 피드백되는 환경에 최적화되어 신속하고 정확한 상지운동제어가 가능하도록 디코딩 기술을 고도화하며 실용성을 검증함. 이를 위해, 1) 대뇌 감각-운동 연합과정에 따른 신경신호 특성 변화에 적응하는 디코딩 기술 개발, 2) 피질 내 집단뉴런신호와 피질 외 ECoG 신호 간 연관성 분석을 통한 ECoG 정보처리 향상 기술 확립, 3) 실제 영장류 및 휴먼 실험을 통한 인코딩/디코딩 기술 통합 및 최적화, 4) 인코딩/디코딩 기술 성능 평가 및 실효성 검증을 수행함. 성공적인 전임상 검증을 통해, 최종적으로 체성감각 피드백 기반 고성능, 고정밀 상지운동 제어가 가능한 최첨단 뇌-기계 인터페이스 코어 기술이 확립될 것임.

□ 연구개발성과
- SCI급 논문 4편 발표
- 비SCI급 논문 5편 발표
- 국내외 학술대회 11회 발표
- 국내 특허 3건 출원, 2건 등록
- 국외 특허 1건 출원
- 석,박사 인력 4명 배출

□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
본 연구를 통해 개발된 집단뉴런활동 디코딩 기술, ECoG 디코딩 기술, 상지운동에 대한 신경신호 특성 추출 기술, 감각-운동 정보 연합 모델, 실시간 디코딩 최적화 기술 등은 중증장애인의 삶의 질 향상을 촉진하는 뇌-기계 인터페이스의 핵심 기술을 이루면서 사회적으로 의미있는 파급효과를 가져올 것임. 또한, 다양한 데이터 차원과 패러다임을 지닌 뇌-기계 인터페이스를 토대로 한 신경정보 코딩 연구를 통해 뇌신경망의 정보 체계를 더욱 깊게 이해함으로써 대뇌 정보 처리 기전에 대한 새로운 지식을 도출하고 신경 과학 분야에 중요한 기여를 할 수 있을 것임. 더 나아가 이러한 신경 정보코딩 원리의 이해를 바탕으로 뇌 정보체계를 모방하는 인공지능 알고리즘에 필요한 핵심적인 단서를 제공함으로써 차세대 인공지능 산업을 선도할 수 있는 경제적 파급효과를 가져올 것임.

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 성과 ... 8
• 3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 66
• 3-1. 목표 ... 66
• 3-2. 목표 달성여부 ... 66
• 3-3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 66
• 4. 연구개발성과의 활용 계획 등 ... 67
• 붙임. 참고문헌 ... 68
• 끝페이지 ... 75