Synchron : 카테터 BCI

BCI 기술은 최소한의 침습으로 최대한 정교한 데이터를 얻는 것이 목표이다.
 
사람에게 아무런 침습적인 수술/시술 없이 얻는 신호 데이터(EEG, EMG 등)는 현재까지는 "충분한" 신호를 얻을 수 없는 것으로 알려져 있다. (여기서 "충분한" 신호란, interpretable brain signal을 말한다.)
 
그래서 적당한 타협을 보아 최소 침습적인 방식이 많이 연구되고 있다. 경막(dura mater)를 관통하여 칩을 삽입하는 Elon Musk의 Neuralink가 침습적인 BCI를 지향한다면, Neuralink 의 co-founding했던 Michael Mager가 세운 Precision Neuroscience는 경막을 관통하지 않는 BCI를 지향한다.
 

 
이번 포스팅에서 소개할 Synchron이라는 회사는, 카테터(catheter)로 정맥을 통해 BCI 센서를 삽입하는 특이한 방식으로 최소 침습성을 구현하는 회사이다. Synchron은 마비 환자나 근위축성 축삭경화증(ALS) 환자를 대상으로 운동 기능을 주는 로봇을 제어하거나 전자기기를 조종할 수 있도록 하는 BCI 기술을 개발한다.
 
Synchron은 2016년 Thomas Oxley에 의해 설립되었다. Oxley는 신경중재술 전문 neurologist로, 뉴욕 Mount Sinai Hospital에서 임상 활동을 하고 있다. 또한, 호주 Melbourne 의과대학에 연구실(https://medicine.unimelb.edu.au/research-groups/medicine-research/royal-melbourne-hospital/the-vascular-bionics-laboratory)을 하고 있으며, synchron의 주요 제품을 여기서 개발하였다. Synchron은 현재 Series C로 비상장 상태이며 2022년에 약 1000억원 규모의 펀드레이징을 한 것으로 알려져 있다.

 
Synchron의 대표기술이자 개두술 없이 BCI 센서를 삽입할 수 있는 Stentrode는 정맥 안에서 신경세포의 신호를 측정할 수 있다.
 
Stentrode는 쇄골 바로 위쪽에 있는 부위를 찔러 정맥에 카테터를 삽입한다. (이는 jugular vein으로, C라인(중심정맥관) 삽입과 유사한 방법을 사용한다.)

 
스텐트는 속목정맥(IJV, Internal Jugular Vein)을 따라 뇌로 올라가며 상시상정맥동(Superior Sagittal Sinus)이라는 좌뇌와 우뇌 사이 정맥혈이 고여 있는 부위에서 전극 배열을 펼쳐 놓는다. 아래 그림에서 보면 알 수 있지만, 상시상정맥동은 두개골과 경막(dura mater) 사이에 있는 구조물인데, 이는 개두술을 하지 않고도 Precision Neuroscience 처럼 두개골 안쪽으로 센서를 집어넣을 수 있음(epidural array)을 의미한다. 다만 Neuralink처럼 경막 안쪽으로 센서를 넣지는 못한다.

 
Synchron 본사에서 나온 영상(https://www.youtube.com/watch?v=NZlIL0iI1Sg&t=35s)을 보면 간략한 삽입 장면을 볼 수 있다. 카테터 위치로 상시상정맥동이 선택된 이유는 Synchron의 2016년 논문을 보면 알 수 있는데, 크게 아래 기준을 고려했다고 한다.

1. 운동피질(Motor Cortex)와의 거리가 가까운가?
   -> Stentrode는 기본적으로 운동기능 보조용이기 때문.
   -> MRI 영상을 통해 주운동영역인 Broadmann Area 4와의 거리를 측정하여 후보 선별.
2. 안전한 스텐트 삽입을 위한 직경이 충분한가?
3. 사람에 따른 변이가 적은 혈관인가?

 
Stentrode는 대뇌의 주운동영역에서 신호를 수집하여, 손이나 팔의 움직임을 제어하는 로봇 팔, 컴퓨터 커서를 조작할 수 있게 한다. 2019년 호주에서 4인에게 이식하였으며 이는 스텐트로 BCI array를 이식한 첫 번째 사례이다. 이후 FDA 승인을 받아 미국에서 6명에게 이식하였고, 2024년 연말 기준 총 10명에게 이식하였으며 상업적 테스트를 준비중이라고 한다.
 
다양한 BCI 회사가 있지만, Synchron의 접근이 가지는 장점은 분명하다. 첫째로, 최소 침습성이다. 침습적 BCI는 염증 문제를 피할 수 없다. 또한, 시간이 지날수록 얻을 수 있는 신호의 퀄리티가 떨어진다. Synchron은 Stentrode를 통해 최소한의 염증을 일으키며 190일간 높은 퀄리티의 신호를 수집할 수 있음을 증명하였다. 또한 2023년에 진행된 임상 시험에서는 1년 간 부작용이 없었음도 보여졌다.
 
다만 Synchron이 가지는 단점도 분명 존재한다. 첫째는 정맥벽에 의한 감쇠 효과로 다른 침습적 BCI에 비한 신호의 퀄리티가 떨어진다. 간단한 작업을 수행하는 데는 큰 문제가 없지만, 가능한 작업의 복잡도가 현저히 떨어진다. 또한, 삽입 위치가 정맥동으로 고정되어 있으므로, 개두술로 접근하는 BCI에 비해 접근 가능한 대뇌피질의 종류가 한정된다. 아래 Neuralink의 BCI를 보면 수술 부위에 따라 다양한 대뇌 영역의 신호를 수집할 수 있다.

 
최근에는 애플의 Vision Pro의 핸드 제스쳐 인식을 생각만으로 할 수 있도록 하는 연구를 진행 중이며, 아마존 Alexa (음성인식 에이전트)를 말 없이 생각만으로 동작시키는 연구를 수행중이다. 또한, LLM과의 연동을 위해 brain signal을 프롬프트로 바꿀 수 있는 기술을 개발 중이라고 한다.