동물 제어를 위한 뇌-뇌 접속 연구

Abstract

뇌-뇌 접속은 사람들이 언어와 몸짓에 대한 제약 없이 다른 상대와 소통할 수 있는 통신 채널이다. 이 대안 채널은 심각한 신경근육 장애 환자 뿐만 아니라 동물, 특히 훈련받지 않은 동물들에게도 매우 유용하다. 이 경계없는 소통의 시대를 앞당기기 위해, 우리는 인간과 훈련받지 않은 동물 사이의 소통을 가능하게 해주는 뇌-뇌 접속을 제안하는 논문을 준비했다.

일반적으로, 뇌-뇌 접속의 개발과정은 발신자의 뇌로부터 메세지를 수집하는데 사용되는 뇌-컴퓨터 접속과 메세지를 수신자의 뇌로 전송하는 사용되는 컴퓨터-뇌 접속 간의 협력을 필요로 한다. 뇌-뇌 접속을 개발하기 위해, 우리는 새로운 쥐 행동 모델 개발 뿐만 아니라 자기 동기 동작 상상을 위한 융합형 뇌-컴퓨터 접속과 정상 시각 유발 전위 미로 게임을 위한 몰입형 뇌-컴퓨터 접속과 같은 다양한 뇌-컴퓨터 접속들을 개발했다. 융합형 뇌-컴퓨터 접속 개발 과정에서 우리는 뇌전도와 근적외선 분광법을 동시에 기록하는 새로운 센서 프레임을 제작했고, 뇌 혈류역학 신호에서 동작 상상의 발생을 감지하고 뇌전도 신호에서 유형을 분류하는 새로운 분석 방법을 설계했다. 우리가 아는 한, 이것은 동작 상상 탐지를 위한 혈류역학 신호의 사용법을 보고한 최초의 연구였다. 우리는 정상 시각 유발 전위 미로 게임의 성능을 향상 시키기 위해 몰입형 뇌-컴퓨터 접속이라는 개념을 최초로 제안했으며, 그 과정에서 가상현실 머리 착용 디스플레이가 뇌-컴퓨터 접속의 화면으로써 유용한지 여부를 검증했다. 그 결과 우리는 가상현실 머리 착용 디스플레이는 기존의 모니터에 비해 몰입감 있고 집중할 수 있는 환경을 사용자에게 제공함으로써 정상 시각 유발 전위 미로 게임의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인했다. 이러한 노력들 외에도, 우리는 어떠한 훈련 과정 없이 외부 명령 신호에 따라 움직이는 새로운 쥐 행동 모델을 개발하기 위해 노력했다. 그 결과, 우리는 흑색 선조체 경로에 대한 전기 자극이 쥐에게서 반측 회전운동 유발한다는 것을 발견함으로써 이를 달성 할 수 있었다. 이것은 쥐 행동 모델을 만들기 위해 흑색 선조체에 대한 전기 자극을 사용한 첫 보고였다.

이런 경험을 토대로 우리는 사람이 정상 시각 유발 전위 조종기를 이용하여 훈련되지 않은 쥐의 움직임을 조절할 수 있게 해주는 뇌-뇌 접속을 제안한다. 실험결과들은 인간 참여자들이 82.2%의 평균 성공률과 1.9m/min의 평균 속도로 T자형 미로 탐색 실험에서 쥐들을 제어할 수 있었음을 보여준다. 이것은 훈련 과정 없이 의식있는 사람과 의식있는 동물간에 성공적인 뇌-뇌 소통을 만든 첫 번째 사례 입니다. 우리가 이 논문을 통해 보고한 우리의 관찰들은 경계없는 소통의 시대를 앞당 것 뿐만 아니라 동물에 대한 이해와 인간과 동물 사이의 공생을 향상시키는데 기여할 것이다.

Brain-to-brain interfaces (BBIs) are a communication channel in which people can communicate with anyone else without a limitation on language and gestures. This alternative channel is enormously useful for not only the patients suffering from neuro-muscular disorders but also animals, particularly untrained ones. To bring the era of borderless communication forward, we organized this thesis in which we propose a BBI that enables communication between a human and untrained animal.

In general, a developmental procedure of BBI requires cooperation between a brain-computer interface (BCI) and a computer-brain interface (CBI) such that the BCI is used to collect a message from the sender's brain and the CBI is used to transmit the message to the receiver's brain. To achieve BBI, we had developed various BCIs, such as a hybrid BCI for self-paced motor imagery and an immersive BCI for steady-state visually evoked potential (SSVEP)-maze game, in addition to the development of a novel rat behavior model. In the developmental procedure of hybrid BCI, we produced a novel sensor frame which records electroencephalography (EEG) and near-infrared spectroscopy (NIRS) simultaneously, designed a novel analysis method which detects the occurrence of motor imagery with NIRS signals, and classifies its type with EEG signals. To our knowledge, this was the first research which reports the use of NIRS signals for detecting motor imagery. We first proposed the concept of immersive BCI to improve the performance of SSVEP-maze game, and in this procedure, we verified whether virtual reality head-mounted display (VRHMD) is feasible as a BCI-display, or not. As a result, we confirmed that VRHMD can enhance the performance of SSVEP-maze game by serving the user with much immersive and focusable environment compared to the conventional monitor. Besides these efforts, we tried to develop a novel rat behavior model which moves according to external commanding signals without any training procedure. Consequently, we could achieve it by finding that electrical stimulation to nigrostriatal (NS) pathway induces contralateral turning behavior from a rat. This was the first report that uses electrical stimulation to NS for making rat behavior model.

Based on these experiences, we propose BBI that enables a person to manipulate locomotion of untrained rat by using SSVEP controller. Empirical results demonstrated that the human participants could control rats in the T-maze navigating experiment with the mean success rate of 82.2% and mean speed of 1.9 m/min. This is the first instance that makes successful brain-to-brain communication between conscious human and conscious animal without any training procedure. Our observations that we reported with this thesis will contribute to not only bring the era of borderless communication forward, but also enhance understanding of animals, and symbiosis between humans and animals.