‘환각지’ 움직임도 이해하는 ‘인공 팔’

[요약] 팔다리가 잘려나간 환자들은 대뇌에 팔다리에 관한 기능이 남아 있기 때문에 마치 팔 다리가 원래대로 있는 것처럼 느끼는 ‘환각지’ 현상을 겪는다. 이 현상은 인공 팔을 구현하는 데 걸림돌이 돼 왔다. 프랑스 국립과학연구원(CNRS) 연구진은 이러한 환각지 현상을 감지하는 자연스러운 움직임을 구현할 수 있는 알고리즘을 개발, 인공 팔에 적용하는 데 성공했다. (2018. 12.)

사지가 잘려나간 사람 4명 중 3명은 실제로 팔이 있는 것처럼 느끼는 이른바 ‘환각지’를 경험한다. 사지 상실 후에도 대뇌에서는 상실된 팔다리에 관한 기능이 상당 부분 남아있기 때문이다. 프랑스 국립과학연구원(CNRS)과 액스마르세유대학 과학자들은 이같은 환각지의 움직임을 감지하는 움직임을 구현할 수 있는 ‘인공 팔’ 시제품을 개발하는 데 성공했다. 이 인공 팔은 어떤 외과적 수술 없이도 착용 가능하며 환자들은 트레이닝이 필요없는 게 특징이다. 연구 성과는 학술지 ‘생명공학기술(Frontiers in Bioengineering and Biotechnology)’에 공개됐다. 

대부분 사지 절단 환자들은 사지가 절단된 곳에서 감각을 느끼기 때문에 이를 ‘환각지(Phantom Limb)’라고 부른다. 기존 연구에서 환자 4명 중 3명인 75% 이상이 스스로 이같은 환각지를 움직일 수 있는 것으로 확인됐다. 

손가락을 꼬집거나 손목을 돌리고 구부리는 움직임 등 환각지의 움직임은 절단 부위의 특정 근육 수축과 항상 관련이 있다. 팔의 위쪽 부분인 상완이 절단된 경우 환각지를 유발하는 근육 수축은 절단 전에 사용된 관절과 연결돼 있지 않은 근육 그룹과 관련이 있다. 이는 마치 살아 있는 신경을 이식해 마비된 근육을 회복시키는 ‘근육 신경재분포(mucsle reinnervation)’가 외과적 수술 없이 자발적으로 일어나는 것과 유사하다. 

연구진은 이같은 현상을 이용해 인공 팔을 자연스러운 접근 방법으로 제어할 수 있는 방안을 고안했다. 시제품으로 개발된 프로토타입 인공 팔의 경우 연구진은 ‘환각지’ 움직임으로 유발된 근육 활동을 감지하는 동시에 인공 팔에 의해 감지된 움직임을 재생할 수 있는 알고리즘을 개발, 적용했다. 환자들의 별도 훈련이나 수술이 없어도 직관적으로 제어할 수 있는 게 특징이다. 

이 알고리즘을 적용한 인공 팔 테스트에서 2명의 상완 절단 환자가 인공 팔을 착용하지 않고 그들의 절단 부위 근처에 둔 상태에서 연구진이 개발한 통제 장치를 사용해 보도록 했다. 결과는 매우 고무적이었다. 단 몇 분만에 시스템에 익숙해진 환자들은 인공 팔을 컨트롤하고 간단한 움직임을 수행하는 데 성공했다. 액션을 하는 데 시간이 많이 소요됐음에도 불구하고 컨트롤하기까지는 매우 빠른 시간 내에 이뤄진 것이다. 이번 연구는 환자들이 인공 팔을 효율적으로 제어하는 데 어려움을 겪으며 때로는 포기한다는 사실을 감안해 볼 때 매우 희망적이다. 

연구진은 실제 환자에 인공 팔을 착용시킨 뒤 테스트를 진행하며 인공 팔의 메커니즘을 발전시키려는 노력을 하고 있다. 환각지를 감지하는 인공 팔에 익숙하지 않은 환자들을 보다 잘 이해시키기 위한 지식을 얻는 과정이다.

원문 링크
http://www2.cnrs.fr/en/3181.htm