설치류 행동 측정, 뇌신호 측정 및 조절을 위한 가상환경 제공 장치 및 그 제어방법

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 가상환경 시스템은 주로 공기압을 사용하여 구(공)를 지지했으나, 이는 실제와 같은 마찰감을 제공하지 못하고 대용량 공기탱크가 필요하여 비용 및 공간적 부담이 컸습니다.

• 고압 공기 탱크 설비는 개인 연구자가 감당하기 어려운 시설 문제를 야기하며, 공기압의 한계로 인해 무게가 나가는 동물(Rat)을 이용한 실험에 제약이 있었습니다.

• 자유롭게 회전하는 가상현실 시스템에서 광도측정법(Photometry)이나 광유전학(Optogenetics) 기술을 적용하는 것은 특수 슬립 링 부품 사용의 어려움으로 인해 구현이 힘들었습니다.

기술의 필요성

• 따라서 기존의 공기압 지지 구조나 특수 슬립 링 부품 없이도, 설치류의 행동과 뇌신호를 동시에 측정하고 조절할 수 있는 새로운 가상환경 장치 개발의 필요성이 대두되었습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 머리가 고정된 설치류가 롤러로 지지되는 구(Sphere) 위에서 자유롭게 움직이면, 센서가 이 움직임을 감지하여 주변 디스플레이에 투영된 가상환경과 연동시키는 원리입니다.

• 핵심 부품인 광섬유 호환 슬립 링을 통해, 피시험체가 360도 회전하더라도 전선이나 광섬유의 꼬임 없이 안정적으로 뇌 신호를 측정하고 조절할 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

1. 머리 고정부: 피시험체의 머리를 특정 위치에 안정적으로 고정시킵니다.

2. 런닝부: 피시험체가 위에서 구르는 구, 구를 지지하는 롤러, 구의 움직임을 측정하는 센서로 구성됩니다.

3. 연결부: 광섬유 호환 슬립 링을 포함하여, 피시험체의 회전에도 꼬임 없는 신호 전달을 가능하게 합니다.

4. 먹이 보상부: 피시험체가 과제를 성공적으로 수행했을 때 물과 같은 보상을 제공합니다.

5. 디스플레이부: 피시험체를 둘러싸는 스크린을 통해 몰입감 있는 가상환경을 시각적으로 제공합니다.

6. 중앙 제어 장치: 센서 값에 따라 가상환경 영상을 갱신하고, 과제 수행 여부를 판단하여 보상을 제어하는 등 시스템 전반을 통제합니다.

기술의 장점

• 비용 절감 및 효율성: 고가의 대용량 압축 공기 탱크 대신 롤러를 사용하여 비용을 절감하고, 설치 공간의 제약을 줄였습니다.

• 자유로운 행동 측정: 피시험체가 360도 모든 방향로 회전할 수 있어, 실제와 유사한 환경에서 제한 없는 행동 측정이 가능합니다.

• 융합 연구 가능: 광섬유 연결을 통해 행동 측정과 동시에 광도측정법(뇌 신호 측정) 및 광유전학(뇌 활동 조절)을 구현하여 복합적인 뇌 기능 연구를 수행할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 개발된 가상환경 제공 장치가 설치류의 복잡한 인지 과제 수행 행동을 효과적으로 측정함과 동시에, 과제 수행에 따른 뇌 신경 신호(도파민 분비량)를 정확하게 기록할 수 있는지 검증하는 것이었습니다.

실험 방법 및 과정

1. 피시험체(설치류)의 머리를 장치의 머리 고정부에 고정하고 구 위에 위치시킵니다.

2. 디스플레이를 통해 특정 시각적 목표물이 있는 가상환경을 제공합니다.

3. 피시험체가 목표물을 향해 이동하여 과제를 성공하면, 먹이 보상부에서 보상(물)을 제공합니다.

4. 과제 수행 동안 이동 경로와 광섬유를 통해 측정된 뇌의 도파민 관련 형광 신호를 동시에 기록합니다.

실험 결과

실험 결과, 피시험체는 가상환경 내에서 성공적으로 인지 과제를 수행하였으며, 본 장치는 그에 따른 신경 활동을 효과적으로 측정할 수 있음을 확인하였습니다. 상세 결과는 아래 표와 같습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 뇌인지과학 분야의 기억, 학습, 의사결정 과정에 대한 심층 연구

• 신경 및 정신 질환 치료제의 전임상 단계 효능 평가를 위한 실험 플랫폼

• 공간 탐색 및 인지 지도 형성과 관련된 신경 메커니즘 규명 연구

기대효과

• 기존 미로 실험이나 제약이 많은 가상환경보다 더욱 현실적이고 자유로운 실험 환경을 제공합니다.

• 광유전학, 광도측정법과 같은 최신 기술을 가상현실에 통합하여 뇌 연구의 지평을 확장할 수 있습니다.

• 낮은 비용과 간소화된 설치 요건으로 고도화된 행동-신경 연구의 연구 접근성을 향상시킬 수 있습니다.

기술의 가치

본 기술의 완성도(TRL) 및 시장 가치 정보는 다음과 같습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 및 관련 뇌인지과학 실험 장비 시장은 뇌 연구의 중요성이 부각되면서 지속적으로 성장하고 있습니다. 이 기술은 MIT Technology Review, KISTEP 등 주요 기관에서 10대 유망 기술로 선정될 만큼 미래 가치가 높게 평가받고 있습니다.

• 글로벌 동향: 미국 DARPA, NASA 등을 중심으로 대형 프로젝트가 수행 중이며, 대학 및 기업에서는 기계팔 제어, 인공지능 휠체어, 상용 BCI 제품 개발이 활발히 진행되고 있습니다.

• 국내 동향: 아직 상업화된 실용 기술은 부족하지만, 정부의 '뇌연구촉진법' 제정 및 한국뇌연구원 설립 등 법적, 제도적 기반이 마련되고 있으며 대학 중심의 기초 연구가 활발합니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

BCI 시장은 연구용 고급 장비부터 일반 소비자를 위한 상용 제품까지 다양한 플레이어들이 경쟁하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 뇌 질환 정복을 위한 연구 수요 증대: 고령화 사회 진입과 함께 뇌 질환의 사회적 비용이 증가함에 따라, 이를 해결하기 위한 고급 실험 장비에 대한 수요가 커지고 있습니다.

2. 관련 기술의 발전: 센서, VR/AR, 인공지능 등 관련 기술이 발전하면서 더욱 정교하고 사용자 친화적인 BCI 시스템 개발이 가능해지고 있습니다.

3. 정부의 정책적 지원: 각국 정부가 뇌 연구를 미래 핵심 산업으로 인식하고 법률 제정, 연구비 지원 등 정책적 지원을 확대하고 있어 산업 성장의 기회 요인으로 작용합니다.

※ 본 시장 동향 내용은 '뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술 및 개발 동향' 보고서를 참조하여 작성되었습니다.