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Research

손을 이용하는 능력의 기원을 밝혀줄 단서 발견

  • 조회. 326
  • 등록일. 2019.10.16
  • 작성자. 홍보팀

손을 이용하는 능력의 기원을 밝혀줄 단서 발견
- DGIST 안진웅 책임연구원팀, '손 조작 솜씨'의 기원을 뇌의 관점에서 밝혀
- 뇌질환으로 인한 손 운동 장애 재활, 신경조절 치료 및 뇌 기반 인공 지능 연구에 적용이 기대돼

△연구를 진행한 안진웅 책임연구원(좌), 이승현 연구원(중간), 진상현 전임연구원(우)

 DGIST(총장 국양)는 지능형로봇연구부 안진웅 책임연구원팀(이승현 연구원, 진상현 전임연구원)이 ‘손 조작 솜씨’를 설명할 단서를 찾았다고 밝혔다. 이번 연구결과는 향후 뇌질환 환자의 재활, 신경조절 치료나 인공지능 등에 적용될 것으로 기대된다.

 사람의 동작들은 신체의 좌측과 우측으로 구분돼 각각 반대편 뇌 영역의 통제를 받는다고 알려져 있다. 즉 우뇌는 신체의 왼쪽, 좌뇌는 신체의 오른쪽 동작들을 담당·통제한다. 이를 대측성(Contralaterality)이라 한다. 하지만 손을 이용해 정교한 작업을 수행하는 인간만의 능력인 ‘손 조작 솜씨’를 대측성만으로 설명할 수 있는가에 대한 의문을 연구팀은 갖게 됐다.

 이에 안진웅 책임연구원팀은 오른손을 주로 쓰는 정상인 15명을 대상으로 오른손과 왼손으로 복잡한 과제를 번갈아 수행하도록 했다. 이때 연구팀은 대뇌 피질의 혈류 상태를 보여주는 신호를 검출, 평소 주로 사용하는 손(오른손)과 아닌 손(왼손)을 각각 사용할 때 나타나는 대뇌 피질의 패턴을 관찰했다. 이를 통해 연구팀은 ‘손 조작 솜씨’가 뇌 어느 부분에서 시작되는지를 보여주는 단서를 찾는데 집중했다.

 연구결과, 주로 사용하는 손(오른손)으로 복잡하고 섬세한 동작을 수행하면 이를 관장하는 좌뇌의 대뇌 피질 혈류만 활성화됐다. 하지만 익숙하지 않은 손(왼손)의 경우, 손의 반대편뇌인 우뇌의 대뇌 피질과 좌뇌의 대뇌 피질도 함께 활성화됐다. 즉, 연구팀은 평소 잘 쓰지 않는 손을 이용해 복잡한 동작을 수행하면, 우리의 신체는 좌뇌와 우뇌를 함께 작동시킨다는 것을 발견한 것이다.

 이번 연구는 인간의 손재주를 뇌의 관점에서 이해하고자 한 연구로, 기존의 연구가 침팬지 같은 유인원을 대상으로 진행된 것과는 차이점을 보인다. 인간을 대상으로 했단 점을 고려한다면, 이번 연구는 향후 뇌질환 환자들의 재활, 치료 등 임상 연구에 적용가능성이 매우 높을 것으로 기대된다.

 DGIST 지능로봇연구부 안진웅 책임연구원은 “이번 연구 결과가 뇌질환 환자들의 작업 재활, 운동 신경조절 치료 등 임상 과정에 활용이 가능하다”며 “최근 딥러닝 등 뇌의 시각 피질을 모방한 인공 지능을 넘어 뇌의 운동 피질을 모방한 인공 지능 개발에도 큰 도움을 줄 것” 이라 말했다.

 한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF)이 지원하는 ‘차세대 뇌신경 촉진을 위한 뇌활성 실시간 피드백 기반 무침습 중추-말초 신경 복합 자극 및 조절 기술 개발(2018R1A2B2008013)’과 정보통신기획평가원(IITP)이 지원하는 ‘딥러닝을 이용하여 사람의 의도를 인지하는 BCI 기반 뇌인지컴퓨팅 기술 개발(2017-0-00451)’의 연구 결과로 국제학술지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 온라인판에 10월 1일(화) 게재됐다.


   연구 결과 개요   

The Difference in Cortical Activation Pattern for Complex Motor Skills: A functional Near-Infrared Spectroscopy Study
Seung Hyun Lee, Sang Hyeon Jin, Jinung An
(Scientific Reports, Online published on 1st October, 2019)

 인간만이 갖는 복잡한 물체의 조작 능력 즉 운동 솜씨에 대한 학문적 호기심은 철학 및 과학 등의 영역에서 오랫동안 논의되어 왔다. 최근들어 뇌영상화 기법들이 발전됨에 따라 이를 뇌의 관점에서 이해하려는 시도들이 있었지만, 주로 동작 수행 전후 비교 연구가 대부분으로 동작 수행 과정 중에 뇌에서 일어나는 변화를 관찰해 그 이유를 밝히려는 연구는 거의 없었다.
 본 연구는 뇌혈류역학 정보를 실시간으로 추출해 인간의 운동 솜씨가 대뇌피질에서 어떻게 발현되는지를 규명하였다. 금 번 연구는 기존의 우세 기능(Dominance)에 따른 대뇌피질의 대측성(Contralaterality)을 뒤엎는 결과로 우세 기능이 단순히 후천적 학습 뿐만 아니라 선천적인 능력 등에 의해 대뇌 피질에 각인된 것으로 연구자들은 판단하고 있다.


   연구결과문답   

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
인간의 뇌는 대측성을 갖고 있어 이를 근간으로 인간의 행동, 사고 등을 이해하고 있다. 본 연구는 인간만이 갖는 작업 솜씨가 대측성에 기반을 두고 있다는 기존의 학설을 뛰어넘어 복잡한 동작(협응 동작, 세밀한 조작, 순서가 있는 동작 등을 포함)을 수행할 때 인간의 작업 솜씨가 발현되는데, 이는 대측성이 아닌 솜씨와 직접 관련 있는 우세한 뇌영역이 대뇌 활동을 관장함을 밝혔다. 단순 반복 작업을 수행할 때는 대뇌의 대측성으로 적절한 설명이 가능하나, 복잡한 동작 (본 실험의 경우, 쇠젓가락으로 콩을 집어 한쪽 통에서 다른 쪽 통으로 옮기기)을 수행할 때는 대뇌의 대측성만으로는 설명이 불가능하고, 이때는 우세 손(dominant hand)에 대한 우세 대뇌 피질의 활성의 기여로 설명할 수 있었다. 이는 인간만의 작업 솜씨는 후천적 학습(예시, 단순 작업)은 물론 선천적인 능력(예시, 복잡한 작업)에 의한 기억이 각인된 우세한 대뇌 피질의 영역이 존재함을 의미한다고 하겠다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
기존의 뇌질환 환자의 작업 치료 및 신경 조절 치료는 대뇌 대측성에 기반을 두고 임상에 활용하고 있어, 새로운 임상 프로토콜 확립에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 대뇌의 운동 의도 해석에 직접적으로 관련되어 있어 뇌컴퓨터 인터페이스 기술 개발에도 적극 적용이 가능하다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
신경조절 및 작업 치료 임상 프로토콜의 경우, 연구임상을 거쳐 실제임상까지는 5년 이내에 실용화가 가능할 것으로 판단되며, 뇌컴퓨터 인터페이스 기술에는 3년 이내에 상용화가 가능할 것으로 예상된다.

Q. 실용화를 위한 과제는?
집단 실험, 복잡 과제 기반 실험 및 입체적인 뇌신호 해석 연구가 추가적으로 요구되며, 중개 임상 연구 등이 요구된다. 

Q. 연구를 시작한 계기는?
인간-로봇 상호작용 기술 중 하나인 햅틱스(haptics) 분야에서 실재감 있는 촉감 및 역감 구현을 위한 방법론을 박사학위 주제로 연구하면서, 원숭이에게는 없는 인간만이 갖는 손 조작 능력의 기원에 대한 지적 호기심이 일었고, 학위 후에 디지스트에 근무하면서 뇌 신호 해독 기반의 뇌컴퓨터인터페이스 연구와 신경 조절 방법에 대한 연구를 진행해 오고 있다. 앞서 말한 바와 같이, 인간의 운동 솜씨가 언어와 더불어 인간 고유의 특징인 바, 운동 솜씨가 언어(언어중추인 베르니케와 브로카는 대뇌피질 좌반구에 위치)와 마찬가지로 대측성만으로 설명할 수 없지 않을까 하는 생각을 갖고, “인간의 운동 솜씨에 대한 대뇌피질 패턴의 대측성 관찰” 연구를 수행하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
인간만의 고유한 능력인 운동 솜씨에 대한 대뇌 피질의 대측성을 뇌혈류역학 정보를 사용해 시공간적 관점에서 분석함으로써 운동 솜씨의 학습과 기억에 대한 단서를 찾은데 의의가 있다. 이는 향후 뇌졸중 환자의 작업 치료, 파킨슨 환자의 신경조절 치료 등에 활용이 가능하고, 운동 능력 증강을 위한 뇌컴퓨터인터페이스 기술에도 적용이 가능하다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
이번 발견의 결과를 더욱 심화시켜 운동 능력 증강을 위한 딥러닝 기반 뇌컴퓨터인터페이스 개발 및 신경조절 치료 기법 개발을 이루고자 한다.


    그림 설명    
[관련그림] 복잡한 손 조작 수행 시 우세성(dominance) 차이에 따른 대뇌 피질 패턴

 우세손인 오른손(Dominant right hand)은 대측성을 정확하게 보이나, 비우세손인 왼손(non-dominant left hand)은 양측성을 보인다. 영상화뿐만 아니라 시간 분석 및 대측성 지표 평가 등을 통해서도 통계적으로 유의한 동일한 결과를 보였다.
(※사진 저작권자: Scientific Reports)


   논문 바로보기       ☞  Scientific Reports

 

 

 

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