04 2017 미래유망기술프로그램 뇌기능향상기술
2017 futu re pr omis ing t echn olog y Pro gram 2017 미래유망기술 프로그램 01 04 07 10 신체증강휴먼 뇌기능 향상 기술 차세대 로봇 재난 감지 및 대응기술 02 05 08 11 웰니스(개인) 맞춤형 관리 극한환경 적응형 4D 소재 미래 초연결 지능통신 에너지 저장 기술 03 06 09 12 인공 장기 바이오 차세대 자동차용 초비강도 소재 미래교통 시스템 스마트 하우스
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 PART 1 미래유망기술프로그램 05 1. 개요 06 1-1 개념과범위 06 1-2 핵심기술 08 2. 국내외트렌드변화 10 2-1 트렌드변화 10 2-2 국가아젠다이슈 11 3. 국내외 R&D 현황 13 3-1 기술개발동향 13 3-2 연구개발투자동향 15 3-3 기술경쟁력 16 3-4 R&D 지식맵 18 4. 시장전망 21 4-1 국내외시장전망 21 4-2 국내외기업동향 22 5. 국내외정책현황 24 6. 정책제언 25 6-1 프로그램의목표 25 6-2 R&D 상세기획시참여할핵심전문가 기업 25 6-3 기존사업과의차별화전략마련 26 6-4 신규프로그램기획시고려사항 27 6-5 사업추진시기대효과 27 PART 2 미래유망기술시나리오 29 기술이되찾아준품위있는삶 30 PART 3 부록 - 세부기술서요약 39 4-1 원격뇌파검사기 40 4-2 뇌인지기능규명기술 42 4-3 뉴로피드백 /BMI 44
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술
PART 1 미래유망기술프로그램 뇌기능향상기술 1 개요 2 국내외트렌드변화 3 국내외 R&D 현황 4 시장전망 5 국내외정책현황 6 정책제언
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 PART 1 미래유망기술프로그램 뇌기능향상기술 1 개요 1-1 개념과범위 ( 바이오피드백의개념 ) 바이오피드백에서영어로 Bio- 는 생체 즉, 우리신체를의미하고, Feedback은 되먹이기 또는 피드백, 다시되돌려준다는뜻임. 구체적으로는특수한기기를이용하여심신반응을측정하고이측정된정보를소리나광선이나그래프의형태로환자에게지각할수있는형태로 Feedback시켜알려줌으로써, 환자가자신의이완이나긴장상태를스스로조절하도록훈련할수있음 ( 뇌-기계인터페이스의개념 ) 인간의뇌를기계와연결하여뇌신경신호를실시간해석해활용하거나, 외부정보를입력하고변조시켜인간능력을증진시키는융합기술 User Biosignal Feedback Signal Acquisition Signal Processing Application Feature Extraction and Translation Algorithm 6 <BMI 시스템의작동과정과구성요소 >
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 ( 뇌파의개념 ) 뇌파 (EEG: Electroencephalogram, 뇌전도 ) 는뇌신경세포들의전기적활동을두피에서비침습적으로측정한생체전기신호로, 다양한주파수의진동리듬들의조합이며, 느린리듬에서빠른리듬순서인델타, 쎄타, 알파, 베타, 감마리듬등다섯가지영역으로구분하여구성비율형태에따라관찰되기도함 Electroencephalogram PART 1 미래유망기술프로그램 < 뇌파의분류 > ( 활용분야 ) 뇌-기계인터페이스기술을활용할수있는분야는기능성게임, ADHD( 주의력결핍과잉행동장애 ) 등의정신질환치료이외에도마케팅, 헬스케어, 교육등다양하게활용될수있을것으로기대되며, BMI 연구와기술발달이가속화된다면미래에는터치스크린, 증강현실등을잇는차세대인터페이스로활용될것으로전망 ( 범위 ) 뇌융합과학, 뉴로피드백 (EEG 바이오피드백 ), 뇌 - 기계인터페이스 (BMI) 기술을포함함 7
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 1-2 핵심기술 (1) 뇌파측정장치 BMI 비침습적 BMI 침습적 BMI EEG 기반 MEG 기반 fmri 기반 ECoG 기반 Single Cell Recording 기반 < 뇌정보측정방식에따른 BMI 기술모식도 > 세부기술정의특징예시 비침습적방식 침습적방식 EEG 뇌파신호의전위차를머리표피에부착한전극으로측정 fmri(functional magnetic resonance imaging, 기능적자기공명영상 ) MEG(Magnetoencephalogram, 뇌자도 ): 전기흐름 ( 뇌파 ) 에대응하는자기장의변화를측정 ECoG(Electrocorticogram): 전극을뇌피질표면위에부착하여전기신호측정 Single cell recording: 바늘형태전극으로하나의신경세포로부터전기신호측정 장점 : 측정이편리하고안전하며, 측정장비가상대적으로저렴 단점 : 심장박동, 눈깜빡임등인공적잡음신호 (artifact) 에취약하고, 낮은공간해상도를보임 장점 : 공간해상력이월등하여, 인지기능별뇌국소화에유리함 단점 : 시간해상도가떨어지며, 신호측정을위해대형측정기기가필요 장점 : 시간해상력이우수하며, 공간해상력은 EEG 보다뛰어남 단점 : 측정기기의규모가커서휴대성이떨어지고, 측정기기를설치및유지하는데큰비용필요 장점 : artifacts 에강함, 안정적인신호획득이가능 단점 : 외과수술이필요 장점 : 시간및공간해상도높음 단점 : 감염위험성 8
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 (2) 뇌 - 기계인터페이스 (BCI 혹은 BMI) 기술 세부기술명 뇌운동영역의신경신호를감지해석하여실시간기계제어명령으로변환하는기술 뇌영역에생체내 외정보를입력시키는기술 뉴로피드백 기술정의 뇌활동을감지하고측정하는기술, 뇌활동기반전기신호해석기술, 뇌에서발생하는전기신호를전기 기계적신호로변환하는기술, 기계로들어가는신호에따라정확히움직이도록제어하는기술등으로활용됨 뇌의감각정보처리영역에정보를입력하여정보전달 뇌파의측정 분석을통해자신의뇌활동상태를파악하고, 실시간나타나는뇌파성향이건강한패턴을가질수있게스스로조절하도록훈련하는뉴로피드백 PART 1 미래유망기술프로그램 (3) 뇌전도신호 (EEG signal) 데이터의분석기술 세부기술명전처리과정특징정보추출분류기생성피드백어플리케이션 기술정의잡음제거, 채널선택, 주파수및시간영역선택시스템이사용자의의도나상태를예측하는데사용될수있는정보추출추출된정보로의도및상태분석의결과도출분석된사용자의의도및상태를통해사용자에게직접적으로피드백제공 (4) 뉴로피드백기술 자신의뇌파정보를직접눈으로보면서뇌발달에필요한뇌파를스스로조절하여뇌신경네트워크를 발달시키는뇌훈련기술 세부기술명 알파파뉴로피드백 집중뉴로피드백 기술정의 뇌의휴식상태를유도함으로써뇌건강, 창의력및기억력향상에도움 주의력장애의경우정상인에비해세타파의파워가높고동시에베타파의파워가낮은특징을보이므로이를교정하는것으로서게임방식등을활용하여집중상태유도 (5) 뇌질환임상적용기술 뇌파분석을통해뇌인지기능을규명하고향상시켜간질등뇌질환의진단과치료에응용하고자하는 뇌질환임상적용기술 9
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 2 국내외트렌드변화 2-1 트렌드변화 ( 사회환경 ) 고령화, 노화등현대사회가당면한현안해결및신성장동력창출이가능 - 차세대인류복지의실현을위해서는생명연장뿐만아니라, 사람다운삶을유지시켜줄과학기술에대한기대와요구가증가 - 인간다운삶을영위하기위해뇌를이해하고뇌활동장애를극복하는것이미래과학기술의핵심적요소로대두 - 급속한고령화사회진입으로뇌질환치료 *, 장애극복, 인지능력활용을통한상품ㆍ서비스의기능향상, 사회문제해결을위해뇌연구의중요성이높아짐 * 뇌신경질환을근본적으로치료및예방하는혁신적기술및의약품에대한미래수요는급증할것으로전망 - 국가차세대성장동력및신산업창출을위한유망분야로뇌질환예방및치료, 뇌기능항진등이있음. 연구를통해신시장개척에따른고부가가치창출이가능 ( 과학기술 ) 뇌는인류가극복해야할미지의영역이며, 융합을통한기술가속화가필요 - 뇌는판단, 인지, 정서, 행동등에영향을미치는인간의가장중요한신체부위로, 현대과학기술의한계에있는미지의영역이자인간의건강과행복한삶을위해정복해야할최후의난제임 - 뇌중심의융합기술은 BMI 기술과같이기술간상호작용이강화되면서 BT, NT, IT의총합을이루는대융합으로발전될추세임 - 분야간, 이종기술간의융합을통해미래원천융합기술분야의개척및기술혁신 (Innovation) 을창조할수있는과학기술전략상의필요성고조 - MIT가선정한미래 10대기술중 3개 * 분야에뇌융합기술선정 ( 07) * Neuron Control( 뇌기능통제를통한뇌질환치료 ), Nanohealing( 나노소자를이용한뇌손상치료 ), Digital Imaging(MRI를이용한고성능뇌영상기술 ) ( 산업시장 ) 인구구조의변화로퇴행성뇌질환시장규모는지속적으로성장할전망 - 퇴행성뇌질환의시장규모는지속적으로성장될것으로예측되고있으며, 특히알츠하이머의경우 2019년까지연평균 9.9% 높은성장이지속될전망 - 뇌혈관질환은우리나라의주요사망원인중 2위를차지하고있음 - 우리나라는전세계에서고령화속도가가장빠르게진행되고있어향후퇴행성뇌질환및노인성질환의치료제수요가급증할것으로전망 10
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 ( 정책활동 ) High risk-high return 태동기미래유망기술로정부역할이증대 - 최근제약사들이우울증, 치매같은뇌질환에대한연구지원을줄이거나포기하면서정신약학분야의위협이가시화 - 항암제등에비해더많은시간이투자되지만실패율도더높아제약사에높은위험부담이발생 아스트라제네카 ( 英, AZK) 글락소스미스클라인 ( 美, GSK) 은연구비지원을중단하고정신질환약물을개발하고있는연구팀을대단위로구조조정 - 아직뇌의기능과현상을규명하는기초연구단계로연구결과의제품화등산업화로의파급이어려워정부주도의핵심기술개발을위한연구가필요 PART 1 미래유망기술프로그램 2-2 국가아젠다이슈 국가과학기술중장기발전전략에서제시된 54개미래사회아젠다를대상으로유사도를계산하여매핑한 아젠다맵 상에서뇌기능향상기술을확인 - 뇌인지기능규명및원격탐지기술 ( 뇌기능활성화지도구현, 원격뇌파센싱기술등 ) 과탐지된뇌파의산업적응용 활용기술 ( 뉴로피드백, 뇌기계인터페이스, 등 ) 로제시됨. 질환및질병, 노화에따른뇌기능손상에대한예방 진단기술로서첨단의료서비스산업으로강조됨 아젠다 : 뇌기능규명및뇌질환예방 진단 치료, 의료서비스고도화, 난치성및노인성질환의예방 진단 치료기술 - 나노 생명 IT 인지과학의융합기술로첨단의료장비산업으로의연계성이높아신부가가치창출력이매우우수하고, 고도화된의료서비스의특징이강조됨. 아젠다 : 선도산업신부가가치창출, 나노 / 생명 /IT/ 인지과학의융합 - ICT 기술과접목되어뇌질환관리에취약한소외계층에대한최소한의공공의료 ( 치매관리 예방 진단등 ) 관리와서비스로제안될수있는기술, 보편적사회복지시스템과연계되어사회적비용을경감시킬수있는특징이강조됨 아젠다 : 인간신체기능보완기술, 사회적약자를위한생활지원기술, 지능화된생산및정보시스템 11
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 < 뇌기능향상기술 대응아젠다맵 > 12
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 3 국내외 R&D 현황 3-1 기술개발동향 ( 해외 ) 미 영국등뇌연구선도국을중심으로정부산하기관의글로벌연구자양성및예산을배정하여뇌연구분야에대대적인지원 - ( 미국 ) 2013년버락오바마행정부는 Brain Initiative 프로젝트를통해뇌연구분야기초과학에대대적으로지원 : 인간의두뇌작용을연구하고뇌활동의포인트지도작성연구지원 Brain Initiative 프로젝트 : 인간의두뇌작용을연구하고뇌활동의포인트지도작성을목표로한첨단기술개발에향후 10년간 30억달러 ( 한화 3조 2천억원 ) 투입 PART 1 미래유망기술프로그램 분류기관내용 연구소 대학 고등국방연구소 DARPA 항공우주국 듀크대 MIT USC 대 오하이오주립대 뇌파를이용한통신을연구하는프로그램인 Silent Talk 프로젝트수행 (Silent Talk 프로젝트 : 말을하지않고생각만으로어떤메시지를타인에게원격전송하는장치를개발 ) 인공근육 을이용한로봇팔개발 원숭이뇌내의동작계획과관련된신호를포착하여기계팔을움직이는데성공 음성인식인공지능전동휠체어개발 쥐의뇌에해마부분을대신할수있는인공칩을심어정상에가깝게기능을회복시키는데성공 생각제어로마비된팔다리를다시움직이도록하는시험개시 - ( E U ) 유럽위원회는미래기술주력사업 (FET 플래그십 ) 프로그램의일환으로인간뇌프로젝트 (Human Brain Project, HBP) 를추진 - ( 일본 ) 종합인간과학의구축 과 사회에한공헌 을뇌연구의구체주요목표로하고, 21세기를대비한 뇌과학프로젝트 (1997~2016년) 를통해집중으로뇌연구지원 현재일본이화학연구소 (RIKEN) 내에서가장많은연구인력과예산을배정하고있으며, 연구분야는뇌의이해, 뇌의보호, 뇌의창조, 뇌의육성등임 총무성산하정보통신연구기구와오사카대학, 국제전기통신기초기술연구소 (ATR) 등의인력을투입해뇌파로움직이는로봇을개발진행중 - ( 중국 ) 상해신경과학연구소 (ION) 를설립하고최근신경과학분야에집중투자를강화하여기능성뇌질환군에대한연구를활발히추진 13
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 ( 국내 ) 1차뇌연구촉진을통한기반을바탕으로뇌연구선진국추격을통한다양한육성정책을추진중에있으며, 총 685억원의지원이이뤄짐 ( 바이오분야예산의 3%) - ( 한국뇌연구원 )( 13년 10,300백만원 14년 14,559백만원, 65.6%) 생애주기형 Brain Damage 기반융합제어기술개발의본격적인연구수행 - ( 한국표준과학연구원 )( 13년 1,000백만원 14년 2,500백만원, 150%) 차세대뇌인지측정을위한생체자기공명측정및응용기술개발 - ( 한국생명공학연구원 ) 국가영장류센터, 뇌질환모델원숭이개발및활용 < 주요국가별뇌연구시스템비교 > 구분미국영국일본한국 정책수립 Decade of Brain( 90) - NIH 주도뇌연구추진 Brain Initiative( 13) - 국가주도뇌연구추진 연구기관공동프로젝트추진 ( 07 11) - 7 개 council 참여 Ageing brain - 다학제연구센터설립계획추진 국제협력네트워크중개연구강화 국제유도만능줄기세포 (ips) 은행설립 뇌의세기 ( 96) 뇌에대한연구개발에대한장기구상 ( 97) 뇌과학연구르네상스 ( 07) 뇌과학연구전략추진프로그램 ( 08) 뇌연구진법 ( 98) 2 차뇌연구진 2단계기본계획 ( 13 17) 국가뇌연구발전로드맵 ( 08) 투자규모 161 억달러 ( 11) ( 보건예산 25%) 1 억 4,150 만파운드 ( 10) ( 보건예산 20%) 약 3 백억엔 ( 10) (BT 예산 7%) 630 630 억원 ( 10) (BT 예산 4%) 연구기관 NIH 산하 16 개연구기관연합 에딘버러대학신경퇴화연구센터 Brain Research UK( 11) - 민간주도연구단체설립 RIKEN BSI ( 98 년설립 ) 한국뇌연구원 ( 11 년 12 월설립 ) 연구체계 NIH 주도 MRC 주도뇌과학위원회 생명공학종합정책심의회 14
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 3-2 연구개발투자동향 ( 미국 ) 뇌기능향상관련기술에대해 NSF에서최근 3년간 ( 13~ 15년) 총 621개과제에약 2억 2천만 달러투자 ( 유럽 ) 뇌기능향상관련기술에대해 EU에서최근 3년간 ( 13~ 15년) 총 323개과제에약 4억 7천만 유로투자 미국 _NSF 유럽 _CORDIS 구분 연도 연도 Total Total 2013 2014 2015 2013 2014 2015 PART 1 미래유망기술프로그램 투자액 ( 억원 *) 2,619 879 790 950 5,767 2,915 1,363 1,489 과제수 ( 건 ) 621 173 228 220 323 133 102 88 * 기준환율 (1$=1,160 원, 1 =1,222 원 ) 에따라환산한금액임 NSF 2013 년도전체과제수대비비율 (%, 막대 ) 125 100 75 50 25 0 NSF 과제수 2013 2014 2015 YEAR 1.90 1.85 1.80 1.75 1.70 1.65 1.60 1.55 1.50 1.45 연도별 NSF 전체과제수대비해당기술의과제수비율 (%, 꺾은선 ) NSF 2013 년도전체투자총액대비비율 (%, 막대 ) 125 100 75 50 25 0 NSF 투자액 2013 2014 2015 YEAR 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 연도별 NSF 전체투자총액대비해당기술의투자율비율 (%, 꺾은선 ) <NSF 과제수현황 > <NSF 투자액현황 > EU 2013 년도전체과제수대비비율 (%, 막대 ) 125 100 75 50 25 0 EU 과제수 2013 2014 2015 YEAR 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 연도별 EU 전체과제수대비해당기술의과제수비율 (%, 꺾은선 ) EU 2013 년도전체투자총액대비비율 (%, 막대 ) 125 100 75 50 25 0 EU 투자액 2013 2014 2015 YEAR 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 연도별 EU 전체투자총액대비해당기술의투자율비율 (%, 꺾은선 ) <EU 과제수현황 > <EU 투자액현황 > * NSF 과제의연도와투자액은 Award year, Award amount 에서산출하였으며, EU 과제의연도와투자액은 Start year, ec_max_countribution 에서산출하였음 15
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 3-3 기술경쟁력 ( 논문분석-Web of Science, Thomson Reuters) - 분석대상기간 ( 06~ 15) 의뇌기능향상기술에대해발표된논문은전체 4,055편으로연평균증가율 (CAGR) 은 15.82% 로계상되고, 저자국적을분석한결과세계적으로 71개국가에서관련연구수행 - 국가별논문의수준지수분석결과, 오스트리아 (Q=1.618) 의해당기술분야질적수준이가장우수한것으로판단되며, 독일 (Q=1.458), 미국 (Q=1.398), 프랑스 (Q=1.351), 영국 (Q=1.117), 이탈리아 (Q=1.060) 등이세계평균이상의연구수준을보유 ( 참고 : 한국 (Q=0.666)) 800 700 World Korea 600 Number of Papers 500 400 300 200 100 0 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 YEAR Australia 1.6 USA Germany France 1,435 R&D Level(Q) 1.2 UK Italy Canada 0.8 China South Korea Japan 0.4 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 R&D Activity (α) < 연도별논문발표현황 ( 상 ) 및연구활동도와수준 ( 하 )> 논문수준지수 (Q) - 정의 : 특정기술분야전체논문의평균피인용수에대한특정국가발표논문의평균피인용수의비로서피인용수에기반을둔질적수준평가지표 - 의미 : 수준지수가 1.0 인경우특정국가가발표한논문의평균피인용수가해당분야전체논문의평균피인용수와같음을의미하며, 1.0 을초과하는경우는해당분야평균피인용수에비해높음을의미함 16
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 ( 특허분석 - 미국등록특허 ) - 분석대상기간 ( 06~ 15) 의뇌기능향상기술에대한전체미국등록특허는 689 건으로연평균증가율 (CAGR) 은 11.45% 로계상되며, 출원인국적기준으로미국이전체특허중 63.72%(439 건 ) 를보유 - 출원인국적별특허수준지수분석결과, 미국 (Q=1.254) 이특허피인용관점에서질적수준이가장우수한것으로나타났으며, 일본 (Q=1.030) 의특허질적수준이높아해당기술분야를선도하고있는것으로나타남 ( 참고 : 한국 (Q=0.163)) Number of Papers 120 World Korea 100 80 60 40 PART 1 미래유망기술프로그램 20 0 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 YEAR 1.5 439 USA 1.0 Japan R&D Level(Q) 0.5 Israel Germany UK Switzerland France Canada Netherlands Korea 0.0 China 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 R&D Activity (α) < 연도별논문발표현황 ( 상 ) 및연구활동도와수준 ( 하 )> 특허수준지수 (Q) - 정의 : 특정기술분야전체특허의평균피인용수에대한특정출원인발표특허의평균피인용수의비로서피인용수에기반을둔문헌의질적수준평가지표 - 의미 : 특정출원인의수준지수가 1.0 인경우해당출원인이발표한특허의평균피인용수가해당분야전체특허의평균피인용수와같음을의미하며, 1.0 을초과하는경우는해당분야평균피인용수에비해높음을의미함 특허평균패밀리크기 - 정의 : 동일한내용의발명이복수의국가에출원된경우이들특허를패밀리 ( 대응 ) 특허라고하며, 패밀리특허가출원된국가의수를패밀리크기로정의 - 의미 : 다수의국가에서보호받을가치가있는특허의경우패밀리크기가커지게되며, 특허의가치를나타내는지표로사용될수있으며, 본분석에서는분야평균대비평균패밀리크기로나타냄 17
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 3-4 R&D 지식맵 Cluster Map 분석 ➊ 뇌파측정장치 ➌ Brain Computer Interface ➋ 뇌신경신호데이터분석 ➎ 뇌질환임상적용기술 ➍ 뉴로피드백 < 뇌기능향상 기술의주요연구영역 Cluster Map> - 뇌기능향상 기술은뉴로피드백기술을이용하거나뇌-기계인터페이스 (BCI 혹은 BMI*) 기술을통해뇌신경신호를실시간해석하여뇌기능향상을도모하는기술을총괄하는것으로, 다음 5개의 Cluster를보여줌 * BCI(Brain-Computer Interface); BMI(Brain-Machine Interface) 1 뇌신경활성을측정하는뇌파측정장치 2 인간의뇌를기계와연결하여뇌파신호를분석하여활용하거나외부정보를입력하고변조하여뇌기능을증진시키는뇌-기계인터페이스기술 3 뇌신경신호 (brain signal) 데이터의분석기술 4 사용자의뇌파정보를사용자에게알려줌으로써 ( 피드백 ) 뇌파를통제할수있게하는뉴로피드백기술 5 뇌파분석을통해뇌인지기능을규명하고향상시켜간질등뇌질환의진단과치료에응용하고자하는뇌질환임상적용기술 18
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 Web of Science DB( 구, Thomson Reuters) 에서검색한 뇌기능향상 관련논문총 4,055 건 ( 06~ 15년) 에서, 제목과초록데이터항목에서핵심키워드를추출 ( 관련도점수상위 60% 이상 ) 하고동시출현기반유사도에따라매핑및클러스터링수행 ( 네덜란드 CWTS 연구소의 VOSviewer 툴활용 ) 클러스터링은세분화를억제하여, 최대한상위수준영역을확인하도록설정 키워드간거리가가까울수록유사성 ( 관련성 ) 이높아지는것으로해석 논문검색을위한검색식 : TS=(((brainwave* or "brain-wave" or electroencephalo* or EEG) and (telemet* or remot* or wireless*)) or ((interfac* and ("brain-machine" or "brain-computer"))) or ((neurofeedback or neurobiofeedback) and ((neuro* or brain or cerebral) and (cogniti* or recogni*)))) PART 1 미래유망기술프로그램 Overlay Map 분석 < 뇌기능향상 기술의키워드별출현년도평균 Overlay Map> - 키워드의출현년도평균값으로본최신성면에서, 뉴로피드백 (neurofeedback) 이나자가조절 (self regulation) 이주목받는키워드로나타나며, 디코더 (decoder) 중심의뇌파데이터 (EEG data) 분석, 감정 (emotion) 까지전달하는소통과협력, 사용자 (end user) 의유용성 (usability) 개선, 뇌졸중 (stroke) 등뇌질환의치료 (intervention) 나재활 (rehabilitation) 을위한임상적용이최근떠오르는키워드로나타남 19
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 Density Map 분석 < 뇌기능향상 기술키워드출현빈도에따른 Density Map> - 다빈도키워드 Density Map 에서는 BCI(BMI) 가가장큰영역을차지하며, BCI 기반의기능성과 안정성을높인뇌신경활성측정기술및장치, 뇌신경활성신호의원격모니터링을통해뇌질환환자의진단 치료에응용하는증거기반임상연구가두각을보임 R&D 지식맵분석으로살펴본기술의궁극적달성목표 - 뇌기능향상기술은침습적혹은비침습적으로뇌파를측정하여데이터를해석하거나뇌-기계인터페이스를통해뇌신경신호를분석해외부기기를제어하거나외부와의의사소통을가능케하는일종의 뇌번역기 구현을가능케함. 소형화및저전력화된, 휴대용헤드셋등웨어러블기기와원격측정을가능하게하는첨단뇌파컴퓨터및데이터해석기술을통해궁극적으로로봇이사용자의의도를판단하고그에적합한반응과행동을수행함으로써인간과의의사소통및상호협력을가능하게하는인간형로봇의구현과뇌파분석을통한난치성뇌질환의원인규명과진단 치료가가능해짐 20
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 4 시장전망 4-1 국내외시장전망 ( 해외 ) 뇌-컴퓨터인터페이스시장은매년약 11.5% 의성장률로 2020년에는약 15억달러규모로성장할것으로전망 ( 얼라이드마켓리서치 ) - 상대적으로활용이저조한침습적방법의성장이높을것으로예측됨 ( 매년 15.3% 로성장 ) - 뇌-컴퓨터인터페이스시장의성장에따라, BCI제품에반드시필요한뇌파센서시장은 53만달러 ( 13년) 에서 1,089만달러 ( 18년) 로성장이예측됨 PART 1 미래유망기술프로그램 ( 단위 : 백만달러 ) 723.64 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 < 뇌 - 컴퓨터인터페이스기술시장규모 > 출처 : Grand View Research - SharpBrains사에서발표한 Brain Industry Software 시장매출보고서에따르면, 뉴로피드백을활용한뇌건강 (Brain Fitness) 시장이 2015년에는 10억에서 50억달러사이의규모를형성할것으로전망. BCI 제품에는뇌파를측정할수있는뇌파센서가반드시필요. BCI의기술이발전하면서뇌파센서의시장도자연스럽게확장되는추세임 * 2013년기준 53만달러 2018년 1,089만달러로출하금액이성장할것으로전망 ( 국내 ) 우리나라의료기기수출품목중뇌신경질환진단관련영상처리용장치및소프트웨어는상위 20대품목에속해있으며, 증감률이무척큰품목임 - 수출입품목에있지는않으나연구를위한 EEG/EMG 등뇌기능모니터링관련기구의시장점유율이증가하는추세임 21
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 품목 2007 2008 2009 08 년대비 09 년증감률 전체대비비중 ( 09 년 ) 차지비율 ( 09) 수출 수입 의료용영상처리용장치소프트웨어 자기공명전산화단층촬영장치 양전자방출전산화단층촬영장치 7,589 9,806 26,367 168.9 2.2 2.02 77,170 73,631 44,622-39.4 2.4 2.43 41,154 31,719 29,035-8.5 1.5 1.58 출처 : 한국의료기기산업협회, 의료기기생산및수출 수입실적보고자료 각연도 4-2 국내외기업동향 ( 해외 ) 기존실험에이용되었던 BCI 측정장비나뉴로피드백관련장비는비교적정교하고정확한측정이가능하다는장점이있지만, 가격이비싸고부피가너무커서개인용장비로실용화하기에는한계가있었음 - 최근에는미국의 NeuroSky, OCZ Technology, 호주의 Emotiv 社에서헤드셋형태의 BCI 측정장치를비교적저렴한가격으로출시 기업 / 제품명제품모습가격및특징 NeuroSky /MindWave - 가격 99.95 달러 - 블루투스무선접속지원 - 가벼운무게와 8 시간의배터리지속시간 - 10 개의응용애플리케이션이포함된동봉 CD 증정 Emotiv /EPOC - 가격 299.00 달러 - 무선연결과 12 시간지속되는리튬이온배터리, 2 축자이로센서탑재 - 16 개의센서가부착되어긴장, 편안함, 흥분등 30 여개의의도및감정을인식 - 시선, 주름, 인상, 미소등표정변화감지 OCZ /NIA - 가격 138.99 달러 - 헤드밴드형태로뇌파뿐만아니라얼굴근육, 눈움직임을함께측정해사용함 - 프로필설정을통해기존의 PC 게임들에적용해사용가능함 출처 : 각사홈페이지, 스트라베이스재구성 22
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 ( 국내 ) 국내에서도진단 치료용나노머신은대학연구소에서원천기술개발을위한연구단계이며 기업수준에서의상용화단계에미치지못함 연구기관 / 기업제품모습특징 한국과학기술원 EEG 측정장치 ( 복수개단위 EEG 센서세트로구성된뇌파장비 ) PART 1 미래유망기술프로그램 와이브레인 비침습형뇌파측정장치 - 뇌기능개선및치료도움 (a) 와이브레인社의 Yband(ybrain.com) 락싸 뇌파측정장치 (4 채널 ~32 채널까지실시간뇌파측정 ) (b) ( 주 ) 락싸 32 채널뇌파측정기, WEEG-32 소소 저가형 2 채널건식뇌파측정장치 - 집중력관련뇌파컨텐츠적용모듈갭 23
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 5 국내외정책현황 ( 해외 ) 미국, 유럽등선진국들은정부의주도하에뇌과학연구관련기술개발및활용을위해체계적인 정책을수립하고있으며다양한분야에투자를지원하고있음 국가 주요정책 미국의경우 NIH Blueprint for Neuroscience 를통한신경과학지원방향 (Grand challenge) 설정및대규모예산을편성함 - 2010 년미국국립보건원의총예산은 320 억달러로, 이중 57% 가순수연구비로사용되고있으며, 이중신경과학예산은 18% 정도를차지함 ( 약 57 억달러 ) - 미국정부는 2012 년의회계상 1,420 억달러를 R&D 에투자함 ( 전체예산 ) 일본은뇌과학연구가다학제 융합성이높은학문적인특성을갖는다는점을파악하고 융합학문 으로서뇌과학의발전을위한전략을수립했으며 2012 년 1,147 억엔으로 R&D 예산이증액됨 유럽은올해뇌과학연구관련예산을전년대비 11.4% 증가시킨 24,099 백만유로로책정하였는데이는 EU 전체예산의 16.4% 이며, EU 2020 전략 을뒷받침하기위해제 7 차프레임워크프로그램 (FP7) 과구조기금 (Structural Funds) 사업등 R&D 예산이크게증액됨 - 유럽전역의 86 개연구기관이참여해뇌과학을공동으로연구하는 휴먼브레인프로젝트 를시작 ( 향후 10 년간 12 억유로투자 ) Shanghai Institute of Biological Sciences 내에설립하여신경발달, 신경가소성, 시냅스발달및시그널링등을연구진행 ( 한국 ) 급변하는정책환경변화를주도하여분야별로분산, 추진하고있는뇌연구를효율적으로육성 발전시키기위한시대적요구의증대로 2007년 12월 제2차뇌연구촉진기본계획 을수립하여중장기뇌연구발전비전과전략을제시함 - 뇌연구촉진기본계획에포함된각종실천과제들을추진할수있도록매년연도별시행계획을수립하고이행하고있음 - 체계적 종합적인뇌연구육성을위해산재된국내뇌연구역량을집적하고, 기존인프라를연계하는거점기관설립추진 - ( 미래창조과학부 ) 제2차뇌연구촉진 2단계기본계획 ( 13~ 17) 에따라뇌-기계인터페이스는뇌공학분야와관련하여미래유망선도제품 / 업체의육성에주력을다하고있음. 또한 BT분야투자전략 5대분야중하나로뇌연구가선정되어뇌-기계인터페이스기술은뇌기능 모방 활용과관련이되어투자가이루어지고있음 24
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 6 정책제언 6-1 프로그램의목표 (R&D 및실용화 ) 뇌기능향상을위한뇌파기반모니터링-처리 / 분석-기능향상 / 치료 / 재활관점에서원격뇌파검사, 뇌인지기능규명, 뉴로피드백 /BMI 기술의전주기적프로세스선순환구조를수립하기위한뇌기능향상원천기술연구중심으로개발하며, 실생활의편의를도모하고, ICT/ 임상등연관연구및응용체계에포괄적으로융합추구 PART 1 미래유망기술프로그램 ( 인력 ) 뇌공학 BMI 분야의고급전문인력부족을해소하기위해, 연구논문뿐아니라, 특허기술을보유한실무능력을갖춘전문연구인력양성에집중투자하여, 기전문인력의실질적활성화도모및산학연이연계된신규인력모집, 양성독려 ( 제도 인프라 ) 본기술개발에대한성능기준및평가방법을규정하고, 공인평가기관에의한평가체계를수립하여고품질성과를촉진하는연구제도와국제연구네트워크를통한글로벌스탠다드연구인프라구축 ( 특허및표준화 ) 뇌기능기반원천기술기반표준특허의선제적확보를위해특허의출원, 등록장려및이를중심으로한국제적표준화의전략적추진 6-2 R&D 상세기획시참여할핵심전문가 기업 ( 국내산학연 ) - 고려대학교뇌공학과민병경교수 - 울산과학기술원디자인및인간공학부김성필교수 - 한양대학교전기생체공학부임창환교수 - 금오공과대학교메디컬 IT 융합공학과황한정교수 - 한국과학기술연구원바이오닉스연구단김래현박사 - 한국생명공학연구원국가영장류센터이상래센터장 - 소소 (SOSO) 25
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 ( 국외산학연 ) - 독일 Berlin Institute of Technology, Klaus-Robert Muller 교수 (BMI 기계학습대가 ) - 스위스 EPFL, Jose del R. Millan 교수 (BMI 기기제어분야대가 ) - 독일 University of Oldenburg, Christoph Herrmann 교수 ( 뇌파연구대가 ) - 미국 UC Berkeley, Robert T. Knight 교수 ( 전두엽인지연구대가 ) 6-3 기존사업과의차별화전략마련 (R&D 및실용화 ) 인지기반 BMI 국내원천기술및전주기적프로세스의부재 - 뇌인지기능모니터링을위한원격뇌파검사기개발, 데이터를처리및분석하기위한뇌인지기능규명연구, 그결과에기반한뇌파신호의분석및처리를위한뉴로피드백 /BMI 기술에대한전주기적프로세스를전문연구기관을중심으로, 산학연이연계하여, 국내원천기술확보및일반인의뇌기능향상을촉진해야함. 이를통해실생활을윤택하게하며, 의료및 ICT 분야와연계하여, 4차산업혁명시대에유비쿼터스공간에서원격으로뇌기능을향상시킬수있는가능성을제시 ( 인력 ) 현재세계적으로연구초기단계인뇌기능향상분야에대한기업및연구소등에서의인식및관심부족으로인해인력양성기피현상및해당전문분야인력부족이지속되고있음 - 대학및전문연구소중심의육성프로그램을구성하고산학연연계프로그램을장려하여기업관점에서뇌기능향상선진기술의실용화지원을확대하여석 / 박사급의기존전문인력활성화및신규인력모집, 양성 ( 제도 인프라 ) 뇌파측정, 인지기능진단, 뉴로피드백 /BMI 기술에대한성능기준및평가방법및인프라의제공이매우미흡함 - 개발에대한가이드라인및성능기준, 평가방법을명확히규정하여공인평가기관에의한평가에따라공통의목표를통한개발및전략구축 - 국제적연구네트워크를통한, 인지기능향상을위한 BMI 기술개발의글로벌스탠다드를추구하며연구개발과기술개발의방향을설정 ( 특허및표준화 ) 저조한특허등록실적및국내외표준화가전혀수립되고있지않음 - 대학연구소중심의원천기술확보및국제적인컨소시엄구성으로표준특허의선점과국제표준화의 선제적추진 26
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 6-4 신규프로그램기획시고려사항 (R&D 및실용화 ) 국내연구지원및제도의부족으로인한기술개발및실용화장벽 - 원격뇌파검사에대한뇌공학및 ICT 기술융합, 뇌인지기능규명을위한뇌빅데이터수준분석기술 ( 딥러닝등의기계학습방법적용 ), 뉴로피드백 /BMI 개발을위한의료-뇌공학-ICT 학제간연계개발체계에대한연구를제안. 국가의적극적지원을통해기업들에게의 4차산업혁명시대의신성장동력제안 ( 제도 인프라 ) 원격뇌파검사에대한평가방법제약, 뇌인지기능에대한기준모호성, 뉴로피드백효과에대한검증척도부재, 다양한 BMI의공통기준부족등평가기준에대한가이드라인만을제시해서는해당기술에대한종합적인평가가어려움 PART 1 미래유망기술프로그램 - 객관적이고구체적인각기술별평가척도의수립이요구되며, 해당제도및인프라에대해서도꾸준한평가가필요 - 기술, 제도, 인프라평가기준에대한상호보완을기반으로지속적인정책수정이필요 ( 특허및표준화 ) 단순히원천기술만을개발하고선점을위한특허및표준화를추진할경우, 제품화와시장진입에서실패가능성이높을수있음 - 원격뇌파모니터링-뇌인지기능분석-피드백에의한처치및인지기능향상의선순환구조를수립하여, 시장생태계에속한각이해관계자의요구를골고루반영할수있는유연성과확장성을갖춘국제표준특허체계를구축해야함 - 추후상용화에있어서사실표준과공적표준사이의간극을해소할수있도록특허다변화와표준범위를확장적으로규정해야함 6-5 사업추진시기대효과 선제적인국제표준화에의한독점적원천기술확보및차세대신기술을고려한제도와지원체계조기구비로국가차원의뇌기술경쟁력제고 의료-뇌공학-ICT 융합시장생태계조성으로신성장동력조기형성및전후방관련산업연쇄발전효과 사회적질환으로언급되는각종뇌관련질환에대한개인맞춤및예방의학적솔루션제시및뇌인지기능증진을통한인류의정신적삶의질향상도모 뇌과학분야의표준적원천기술확보및기초과학기술분야에서의융합적신규연구패러다임정립 산학연중심의전문가집중양성으로세계적인뇌공학전문가공급국가위상수립 뇌기능관련질병치료에대한새로운방향제시로 4차산업혁명시대에고부가가치사업창출및관련일자리확충 27
미래유망기술시나리오도출프레임 04 뇌기능향상기술 Overview of Future Technology 뇌인지기능규명및원격탐지기술 ( 뇌기능활성화지도구현, 원격뇌파센싱기술등 ) 과탐지된뇌파의산업적응용 활용기술 ( 뉴로피드백, 뇌-기계인터페이스등 ) 로제시됨 Demand Pull Value of Life 건강한삶에대한욕구 오래살고싶은욕구 품위있는삶에대한욕구 자아실현의욕구 Future Technology Technology Push 뇌기능향상기술은뉴로피드백기술을이용하거나뇌 - 기계인터페이스 (BCI 혹은 BMI*) 기술을통해뇌신경신호를실시간해석하여뇌기능향상을도모하는기술을총괄 편리 건강 미래사회 ISSUE ICT 기반디바이스활용확대로봇기술발달디지털네트워크발달새로운서비스모델등장 초고령화사회평균수명증가의료산업의고도화 기술의궁극적목표 뇌기능향상기술은침습적혹은비침습적으로뇌파를측정하여데이터를해석하거나뇌-기계인터페이스를통해뇌신경신호를분석해외부기기를제어하여외부와의의사소통을가능케하는일종의 뇌번역기 구현을가능케함소형화및저전력화된, 휴대용헤드셋등웨어러블기기와원격측정을가능케하는첨단뇌파컴퓨터및데이터해석기술을통해궁극적으로로봇이사용자의의도를판단하고그에적합한반응과행동을수행함으로써인간과의의사소통및상호협력을가능케하는인간형로봇의구현과뇌파분석을통한난치성뇌질환의원인규명과진단 치료가가능해짐 미래삶의가치가반영된 Basic Scenario 우리나라는전세계에서고령화속도가가장빠르게진행되고있어향후퇴행성뇌질환및노인성질환의치료제수요와사람다운삶을유지시켜줄과학기술에대한기대와요구가증가했고, 인간다운삶을영위하기위해뇌를이해하고뇌활동장애를극복하는것이미래과학기술의핵심적요소로대두됨 < 기술이되찾아준품위있는삶 > 에서는기술을통해알츠하이머를치료하고관리하여마지막까지인간으로서의품위를잃지않는노년층의삶에대해설명하고자함 시나리오에고려할미래세부기술 2-4 자가진단및약물투여용웨어러블칩 4-1 원격뇌파검사기 4-2 뇌인지기능규명기술 7-1 인지아키텍처기반인간로봇상호작용기술 7-2 인간형 ( 휴머노이드 / 안드로이드 ) 로봇 7-5 CPS기반고신뢰정밀제어로봇 8-3 포그기반산업용사물인터넷 Scenario 기술이되찾아준품위있는삶
PART 2 미래유망기술시나리오 기술이되찾아준품위있는삶
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 PART 2 미래유망기술시나리오 기술이되찾아준품위있는삶 어머니는언제쯤퇴원하실수있을까요, 선생님? 명훈 (43세) 은컴퓨터화면에차트를띄우는의사를보며물었다. 의사는명훈의질문을못들은것처럼차트에정신을집중했다. 명훈은더이상입을열지않고초조함을누르면서기다렸다. 의사는명훈이볼수있도록화면을회전시키고말했다. 명훈이이제조금익숙해진그래프를들여다보자의사가설명했다. 알츠하이머에대해서는대충알고계시겠지만다시한번말씀드리죠. 알츠하이머환자는기본적으로단기기억이장기기억으로넘어가질못합니다. 그래서증상이심해진다음부터겪었던일은기억을못하세요. 그리고환자분처럼퇴행성알츠하이머를겪으시는분들은장기기억의끝부분이점점거슬러올라갑니다. 이미알고있는사실이었지만명훈은차분히설명을들었다. 그래서마치어린시절로돌아간것같은증상을보입니다. 감정조절에도장애가생겨변화가잦아지고요. 보호자분들의고충이야제가말할필요도없겠죠. 의사는잠시숨을돌리고말했다. 우선아시다시피손실된기억연결을되살릴방법은없었습니다. 물리적인손상이있는거라고 30 보시면돼요.
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 네, 그런기대까지는안하고있어요. 의사가고개를끄덕이고말을이었다. 그래서치료는주로뇌기능을복구하는방향으로집중됩니다. 환자분께사용하는치료는두가지예요. 팔에붙이고계신스킨웨어에서는알츠하이머유발인자들을억제하는약물을투여합니다. 1) 무조건투여하는건아니고상태에따라조절하는데요. 그러기위해서는두뇌의현재상태를 24시간관찰해야합니다. 그때진찰실문이열리고명훈의어머니인현주 (76세) 가들어왔다. 현주는양쪽귀위에자그마한 PART 2 미래유망기술시나리오 밴드를부착하고있었다. 명훈은현주의손을잡고옆의자에앉혔다. 현주는아들을보고가볍게웃어보였다. 저밴드는여러가지기능을합니다. 제일중요한건뇌파검사예요. 2) 수면이나활동여부를가리지않고문자그대로 24시간뇌의활동을확인합니다. 그결과는휴대용장치를통해서가정용의료서버와저희병원서버에거의실시간으로전송됩니다. 3) 간단한분석은밴드만으로도가능하고요. 지금이화면에있는그래프가실시간결과입니다. 의사가그래프의오른쪽끄트머리를가리켰다. 환자께서는방금전단기기억이전학습을하고오셨어요. 그게장기기억으로넘어가면기본뇌기능이복구되었다는뜻인데, 뇌파검사결과에따르면정상인과똑같은수준으로차곡차곡잘쌓이고있습니다. 명훈이입을열기전에현주가끼어들었다. 그럼이제퇴원해도된다는뜻이죠? 명훈은깜짝놀랐지만겉으로드러내지않았다. 병원에입원하기전현주는단순한주변상황조차파악하지못했다. 하지만지금은간단한비유를사용한의사의말까지잘알아듣고있었다. 의사가명훈을보며밝게웃었다. 보셨죠? 손상됐던기억연결통로가복구됐고, 인지기능도정상으로돌아왔습니다. 입원하고 1) 2-4 자가진단및약물투여용웨어러블칩 2) 4-1 원격뇌파검사기 3) 8-3 포그기반산업용사물인터넷 31
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 계시는동안꾸준히확인해봤는데, 인지기능이끊겼다이어졌다하는일도없어졌습니다. 보통이런상태를완치라고표현하죠. 의사는현주를향해말했다. 환자분, 제가주의사항말씀드린거기억하세요. 이것만잘하면퇴원하셔도됩니다. 현주가별것아니라는투로대답했다. 그럼요. 뇌파검사밴드하고스킨웨어를몸에서떼지말라는거죠? 맞습니다. 지금환자분뇌에는아주자그마한나노모듈이들어가있어요. 그나노모듈이머릿속에고정된상태로각종뇌활동도확인하고, 생각을제대로할수있도록도와주기도하거든요. 4) 나노모듈은혼자서는제대로작동하기힘들어요. 그러니까꼭밴드를끼고계셔야해요. 물이닿아도상관없으니늘끼고계세요. 생김새도나름예쁘장하니몸에서뗄일은없을거예요. 선물이라고생각하지뭐. 어머니가농담까지제대로구사하는걸들은명훈의마음속에서불안감이점점사라지고있었다. 의사가덧붙였다. 뇌파밴드가여러가지기능을한다고말씀드렸죠? 이제그걸설명드리겠습니다. 환자분, 아드님께새친구를보여드리세요. 진찰실바깥에서간호사가문을열었다. 현주는열린문을보고누군가에게말을건넸다. 들어오렴, 우미야. 현주의말에따르기라도하는것처럼 4) 뇌기능보조나노머신 32
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 로봇이진찰실로들어왔다. 로봇의유연한플라스틱얼굴은표정전달이쉽고친근감이적절히 깃들어있었다. 통통한상반신에는자유롭게움직일수있는팔관절이붙어있었고, 그끝에는 정교한손가락들이달려있었다. 우미라고불린로봇은들어오면서현주에게자연스럽게물컵을건넸다. 약드실시간이에요. 우미는다른손을내밀었다. 구조가간단해보이던손의바닥부분이열렸다. 그안에는현주가먹어야할약이들어있었다. 명훈은어머니가약을먹고우미의머리를쓰다듬어주는모습을바라보았다. PART 2 미래유망기술시나리오 의사가명훈에게말했다. 어머님께서는나노모듈과뇌파밴드를통해서로봇과소통을하실수있습니다. 나노모듈은뇌시냅스를오가는각종신호를분석해서어머님의사고를알아내고요. 감정변화는뇌파분석과호르몬물질의농도로정확히알아낸다음밴드를통해서우미에게전송되죠. 어떤면에서본다면대화를하는것보다더정확히어머님의마음을읽는겁니다. 그게두번째로중요한기능이에요. 5) 현주가퇴원하고일주일이지난일요일. 명훈은딸지연 (11세) 을데리고아파트아래층에사는어머니를만나러내려갔다. 지연은열흘동안캠프에참가하고막돌아왔기때문에퇴원한할머니를처음보는셈이었다. 지연은다소쭈뼛거리면서현주가사는아파트의초인종을눌렀다. 명훈은그런지연을충분히이해했다. 딸의기억에는알츠하이머를심하게앓던할머니의모습이꽤선명하게남았을터였다. 문이열리고두사람을맞이한건우미였다. 우미의플라스틱눈썹이 2센티미터정도위로올라갔다. 안녕하세요. 아, 네가지연이구나? 명훈은우미에내장된인공지능의성능에다소놀랐다. 물론지연의모습은사진과동영상으로미리학습시켜두었다. 하지만우미는그정보를바탕으로실제인물을정확히인지하고있었다. 6) 유치원에서이미로봇에익숙해있던지연은명훈보다더자연스럽게우미와말을주고받았다. 5) 4-2 뇌인지기능규명기술 6) 7-1 인지아키텍처기반인간로봇상호작용기술 33
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 이름이뭐야? 우미라고불러줘. 지연이우미에게이것저것묻는동안현주가주방에서걸어나왔다. 명훈이왔구나. 아니이게누구야. 지연이캠프에서돌아왔네. 어, 응, 할머니. 지연은명훈과현주를번갈아쳐다보았다. 명훈은말대신고개만끄덕여주었다. 지연과명훈이집안으로들어가자우미는손을들어문을닫고뒤를따랐다. 지연이물었다. 할머니, 이제안아파요? 전엔막울기도하고그랬잖아. 현주가웃으며대답했다. 그거고치려고병원에갔잖니. 이젠다나았단다. 점심은먹었어? 배안고파? 현주는다나았다는한마디에, 아이답게금세상황을받아들였다. 고파요. 아빠가만들어주는거먹기싫어서참고있었어요. 그래. 할미가밥차려줄테니조금만놀고있어. 명훈은지연에게게임기를쥐어주고옆에앉았다. 그리고주방으로걸어가는어머니를눈여겨보았다. 우미가현주의걸음걸이속도에정확히맞춰가며뒤를따라들어갔다. 우미는주방에서현주가오가는이동경로를완전히파악했는지그녀의앞을단한번도방해하지않고일을도왔다. 우미는키가지연과비슷했지만다리는훨씬짧았다. 그럼에도불구하고능숙하게식탁주위를옮겨다녔다. 현주가빵을자르고샐러드를만들자우미가그릇과음식을적절히식탁에늘어놓았다. 7) 간단한점심준비가끝나자현주가아들과손주를불렀다. 명훈은지연을먼저식탁으로보내고 우미를불렀다. 그리고어머니와딸이즐겁게얘기를나누는걸확인한다음명령했다. 7) 7-2 인간형 ( 휴머노이드 / 안드로이드 ) 로봇 34
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 보고모드. 24 시간동안관찰한결과를보고해봐. 우미는명훈의성문 ( 聲紋 ) 을분석해보호자라는것을확인하고대답했다. 정보를전송할까요, 음성으로보고할까요? 음성으로보고해. 우미는눈을반쯤감고말했다. 현재시각오후 12시 17분. 24시간관찰결과. 최현주씨는지난 24시간동안찰과상 0건, 부상 0건, 심박수정상범주. 나노모듈과뇌파검사결과모두정상범주에머무르고있습니다. 명훈은어머니가퇴원한뒤로나흘동안함께머물면서일거수일투족을관찰했다. 신경쓸일은 PART 2 미래유망기술시나리오 한두가지가아니었다. 우선어머니가자신도모르게밴드를벗어버리지는않는지, 입원하기전처럼집안여기저기에부딪히거나화장실에서넘어져다치지는않는지, 뇌파밴드가검사결과를제대로가정용서버까지전달하는지. 하지만언제까지고직접확인할수는없었기때문에닷새째부터우미에게관찰을일임하고있었다. 일주일간인지활동누적점검결과를보고해. 인지활동에끊김은없었습니다. 수면시와정상활동시모두연속적인인지활동을보여주고있습니다. 다른말로하면알츠하이머증상은재발하지않았다는뜻이었다. 실시간이상상태경고기능을점검해봐. 우미는현주의뇌에서조금이라도비정상적인변화가발생할경우즉각명훈에게알릴수있었다. 우미가점검신호를보내자명훈의스마트밴드가곧장경고메시지를띄웠다. 메시지속에는현주의현재위치와상태가일목요연하게들어있었다. 명훈은한결가벼워진마음으로물었다. 다른문제는없고? 최현주씨의실내총이동거리는 437미터입니다. 오늘은아직실외활동이없습니다. 제안해볼까요? 8) 그래. 8) 용도에맞게상황을판단하는특수목적인공지능 35
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 명훈은우미의보고모드를종료했다. 그리고지연의옆자리에앉았다. 우미가현주의옆으로다가섰다. 현재기온과풍속과미세먼지상황을확인해보니산책하기에아주적합합니다. 식사를마치면나가보시는게어떨까요? 지연아, 우리나가서놀까? 지연은금세반색했다. 현주는그런손주의모습을보고흐뭇하게웃으면서동의했다. 현주가외출복으로갈아입으려고방으로들어가자우미가뒤를따랐다. 명훈은열린방문틈으로우미와어머니가나누는대화를들었다. 어떤걸입고나갈까? 봄옷은총다섯종류가있군요. 주홍색이좋을것같아요. 바람은세지않으니점퍼는필요없겠고요. 도와드릴까요? 아직그정도는아니야. 알아서입을게. 현주는우미가권한주홍색스웨터를입고방에서나왔다. 세사람이신발을신는동안우미는현관옆으로이동해서현주가쓰는지팡이를집어들었다. 9) 지팡이잊으시면안돼요. 현주가지팡이를받아들자우미가물었다. 가족분들이오셨으니저는집에서대기할까요? 현주가얼른대답했다. 얘가또이러네. 너도우리가족이야. 이상한소리하지말고따라나와. 알겠습니다. 우미는도어락이제대로잠겼는지확인하고 2, 3 미터쯤뒤쳐져따라왔다. 현주는우미가일행을따라잡을때까지기다렸다. 그녀는잠시머뭇거리더니, 이내지팡이를우미에게맡겼다. 9) 7-5 CPS 기반고신뢰정밀제어로봇 36
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 그리고지팡이대신우미의빈손을잡고의지했다. 명훈은한손에지연을, 다른손에우미를잡고천천히걸어 가는어머니를보며멀리떠나려했던행복이다시찾아왔음을 느꼈다. PART 2 미래유망기술시나리오 37
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술
PART 3 부록 세부기술서요약
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 PART 3 부록 세부기술서요약 4-1 원격뇌파검사기 기술개요및정의 특별한검사실에서복잡한센서를부착한채시행되고있는현재의뇌파검사와비교하여, 보다다양한환경에서착용이편리한포터블측정기로뇌파를측정하고측정된뇌파를실시간으로분석함으로써다양한뇌질환을진단하거나, 뉴로피드백이나뇌 - 컴퓨터인터페이스 (BCI) 와같은대중적인응용분야에활용할수있는하드웨어및소프트웨어기술 기술이미지 국내에서개발된헤드밴드형뇌파측정기 [1] 미국의뇌파측정헤드셋 [2] [1] www.soso-g.co.kr [2] 휴대용뇌파측정및조절기기개발, 서울시정개발연구원, 2011.08. 기술실현의장애요인 현재사용되고있는고가의유선뇌파측정장비는대부분뇌파신호의측정및저장에만초점을맞추어설계되어있어, 뉴로피드백이나 BCI 등과같은실시간응용기술에적용하기에기술적인어려움이따르며, 기존시스템들은대부분특수한목적에특화되어있어다른용도에대한적응성이떨어짐 하드웨어적인구현에있어머리카락위에서전도성젤을사용하지않고도안정적인뇌파측정이가능하도록특수설계된건식능동전극의개발이필요하며두피표면에의접촉성과착용편이성을고려한헤드셋의디자인이요구됨 ( 현재시스템은장시간착용시불편하며두개골형상에따라접촉성이나빠지기도함 ) 뇌파신호의큰개인차와개인내에서의큰변동성문제를극복하지않으면대중적인응용분야적용이매우어려울것으로예상됨 국내외기술개발동향 < 한국 > ( 주 ) 락싸는 2-32채널뇌파측정장비를판매하고있으나, 장비의휴대가어렵거나상대적으로고가에판매되고있으므로대중을상대로한보급형기기로는다소미흡함 한양대학교생체공학과에서는고려대신경과연구팀과함께 USB 전원을이용하여구동이가능한건식능동전극을채용한다채널휴대용뇌파측정시스템을개발 40
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 국내외기술개발동향 ( 주 ) 소소는교육용과의료용으로활용이가능한 2채널헤드밴드형저가뇌파측정시스템을개발하여중국, 일본등에판매하고있음 ( 주 ) 파낙토스는헤드밴드형 2채널뇌파측정기를이용한뉴로피드백시스템을개발하여교육분야에진출하였음 < 국외 > 미국 NeuroSky 회사는이마부위에서단일채널의건식전극으로부터감지한뇌파를분석하여주의집중력등의감정상태를측정할수있는 Mindwave를개발 미국 NeuroFocus 회사는건식능동전극을채용한최초의뇌파측정헤드셋 Mynd를개발 호주 Emotiv 회사는 6개의센서가부착된간편한헤드셋을착용하고사용자의감성을감지하는뇌파및다양한얼굴의움직임등 30가지의움직임을구분하는 EPOC neuroheadset을개발하였으며최근에는 Insight라는 5채널뇌파헤드셋도출시함 캐나다의 Interaxon 회사는명상을보조하고뇌건강상태를트래킹할수있는기능을보유한 MUSE라는명칭의헤드밴드형뇌파측정장치를출시하여 1년만에 3만대이상판매함 PART 3 부록 _ 세부기술서요약 기대효과 휴대용뇌파측정기술의개발은다양한환경에서인간의뇌신경신호를정확히측정할수있도록도와주기때문에, 뇌건강및인지기능향상과관련된 IT 분야, 교육, 실버복지기술, 의료기술의동반발전을유도할수있음 뇌파측정장비의소형화및저전력화를위한 SoC 반도체수요가증가하여관련기술의개발및새로운산업형성을유도함 휴대용, 보급형뇌파측정기의대중적보급을통해정신건강의자가관리가가능하게되어국민의복지를향상시키고삶의질을개선할수있음 포스트스마트폰시대의새로운웨어러블기기로다양한응용어플리케이션이개발될경우, 큰부가가치창출이가능할것임 41
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 4-2 뇌인지기능규명기술 기술개요및정의 신경세포내분자수준의조절기전연구에서부터고차적인뇌기능규명에이르기까지전반적인뇌기능기초연구로파생되는응용기술 기술이미지 대뇌피질의고해상구역지도개발 [1] 생쥐의뇌활성화지도 [2] [1] 고해상도의 3D 대뇌피질구역화지도공개, Nature, 2016.08.11. [2] Brain Observatory, Allen Institute for Brain Science, 2016. 기술실현의장애요인 국내외기술개발동향 뇌를구성하고있는구역, 회로, 세포구성, 분자수준에서의정확한지도가부재하여, 기능을파악하고제어하기위한물질적기반에대한이해가부족함 뇌의교묘한정보처리과정을이해하는데는새로운측정및분석기술개발및뇌의공학적, 이론적연구발전이필요함 < 국내 > 국내뇌연구기반조성을위한정부차원의육성정책을강구하고미래창조과학부를중심으로특화뇌지도구축을골자로하는뇌연구발전전략을공표 (2016.) 가상현실기술을이용하여위치인식신경망분석 (2014), 억제성신경회로에의한공포기억이조절되는기전발견 (2015), 공포기억을기록하는신경세포앙상블발견 (2014.) 등개인연구자수준에서의우수기초연구성과도출 한국표준과학연구원의뇌인지측정연구단은뇌기능및인지기능을측정할수있는뇌지도측정기술개발에주력하고차세대뇌기능측정기술개발에연구역량을집중 치매, PTSD, 중독, 뇌발달질환, 우울증등뇌인지기능장애에관한진단및치료기술개발을위한국가대형연구단출범 (2014~2016.) 가천대학교의과대학은독일지멘스사와함께초고자장 (7.0T) MRI 시스템운영기술개발, 한국인뇌지도완성 NIRS, 뇌파등을이용한임상및연구용뇌기능측정장비상용화 (2015.) 뇌지도구축을위한뇌투명화장비를국내 2개기업이세계최초로상용화 (2015, 2016.) < 국외 > 2013년버락오바마행정부는 Brain Initiative 프로젝트를통해뇌연구분야기초과학에대대적으로지원하여인간의두뇌작용을연구하고첨단기술개발에주력 42
2017 미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술 국내외기술개발동향 미국국립보건원 (NIH) 뇌연구연합체 Blueprint for neuroscience research를중심으로인간커넥톰연구, 통증, 신경계질환치료제등을중점분야로선정하고대규모연구프로젝트를추진 영국은 MRC, 프랑스는 INSERM, 독일은 Max-Planck Institute를뇌연구거점으로활용하고이를중심으로뇌연구분야에집중적으로투자개발연구 유럽의막스플랑크연구소, 지멘스등은뇌영상 (PET-MRI 퓨전시스템 ) 기술개발및뇌신경정보연구계획발표 일본은 21세기지향적뇌과학프로젝트를통해국제과학기술연구소 15개분야중 2/3를뇌분야에할당하며뇌연구활발히수행 중국은정부차원의뇌연구경쟁력확보를위한지원을확대하고국책연구소인 ION 및 IBP 등에서신경과학-인공지능연계연구수행 세계적인뇌연구콘소시엄을위한국제회의진행중 (2016) 미국, 가상현실기술을이용하여동물행동분석기술개발 (2010), 전기자극을이용한기억증강기술생쥐모델에서성공 (2011), 생쥐모델에서가상기억생성성공 (2013) 등기초연구성과도출 Human Connectome Project( 미국 ), Human Brain Project (EU), Allen 연구소 ( 미국 ) 등에서고해상인간뇌지도초기버전공개 (2016) PART 3 부록 _ 세부기술서요약 기대효과 정신분열증, 우울증등과같은정신질환의원인규명및치료법개발에도움 한국인뇌지도가완성되면살아있는한국인의 New Brain Atlas를통해뇌수술과퇴행성뇌질환진단및치료, 뇌연구에활용가능 뇌의신경생물학적구조와기능을규명하고연구하여세계적인구고령화와뇌질환문제에대한대응책제공 뇌인지기능에대한신경회로망규명은향후인공지능알고리듬개발등에중요하게기여할것임 43
PART 1 미래유망기술프로그램 PART 2 미래유망기술시나리오 PART 3 부록 4-3 뉴로피드백 /BMI 기술개요및정의 뉴로피드백 (Neurofeedback) 은뉴로테라피 (Neurotherapy) 또는뉴로바이오피드백 (Neurobiofeedback) 으로도불리며실시간으로뇌활동을측정하여뇌기능을자가조절 (self regulation) 하는능력을학습하는바이오피드백의일종임. BMI는뇌-기계접속 (Brain-Machine Interface) 의약자로서뇌-컴퓨터접속 (BCI) 으로불리기도하며, 뇌신경계에서측정된신경신호를분석하여휠체어나로봇팔등과같은외부기기를제어하거나외부와의의사소통을가능하게하는일종의 뇌번역기 를구현하는기술임 과거에는뉴로피드백은 BMI의범주에포함시키지않는것이일반적이었으나 2010년대이후에는뉴로피드백을수동형 BCI(passive BCI 뇌상태를인식하는 BCI 기술 ) 의일종으로보고 BMI에포함시키는것이일반적인경향임 기술이미지 기술실현의장애요인 국내외기술개발동향 기대효과 기술실현의장애요인은아래와같이크게 3가지정도가있음 (1) 뇌파측정기의착용편의성과신뢰도문제 (HW 문제 ) - 대중화를위해서는휴대용뉴로피드백시스템의구현이필수적임. 그러나머리카락위에서건식전극방식의시스템구현이어려우며헤드밴드타입의경우측정가능한뇌상태가제한적이며아티팩트에취약하다는한계를지님 (2) 뇌파신호의큰개인차로인한대중화의어려움 (SW 문제 ) - 전체인구의약 20% 정도에서는일반적으로알려진뇌파지표가잘적용되지않는경우가있어상업화의장애가되고있음. 개인화를위한기술개발이필요함 (3) 킬러어플리케이션 (Killer App) 의부재 불편한착용성이나비싼가격을감수하고제품을구매하게만드는콘텐츠개발이필요함 최근일부중소업체에서뇌파측정을통한명상보조시스템, 교육용뉴로피드백시스템을출시하고있으나, 대부분학문적인검증없이자체적인데이터베이스를기반으로지표를개발하고있으며, 국내일부회사에서출시되는제품역시선행연구논문에기초하여단순한지표를설정하여신뢰도가매우떨어짐. 따라서신경과학적인원리와실험방법에입각하여보다체계적이고학술적인뉴로피드백기술연구가필요함 신경신호의큰개인차를극복하고모바일환경에서의다양한형태의잡음을효과적으로검출하여제거하는기술개발을통해새로이형성되고있는개인용뉴로피드백관련시장에서독점적인지위를확보하고, 연구개발과정에서융합지식을보유한다수의우수연구인력을배출하여국가경쟁력을제고할수있을것임 44
미래유망기술프로그램 04 뇌기능향상기술
2017 미래유망기술프로그램 뇌기능향상기술 발행연월 2017 년 6 월 발행처 한국연구재단 www.nrf.re.kr 34113 대전광역시유성구가정로 201 연락처 한국연구재단국책연구본부 TEL. 042)869-7726 FAX. 042)869-7729