출처: https://singularityhub.com/2017/12/06/neuroscience-could-bring-us-eternal-bliss-but-is-that-a-good-thing/#sm.001hqwvk213q5e80z611befx9w5q8

What if the secret to eternal happiness is a brain implant?

영원한 행복의 비밀이 뇌 임플란트라면?

If you’re thinking that sounds like the premise of a Black Mirror episode, you’re not alone. Yet at the Society for Neuroscience annual conference earlier this month, two teams demonstrated parts of a new technology that may one day take us there.

Picture this: a series of tiny electrodes sit silently in various parts of the brain, recording the organ’s electrical activity in real time. The data is fed into a personalized algorithm—a “mood map”—that can estimate a person’s general mood based on brain waves alone.

When the system detects patterns that indicate the onset of a depressive episode, it sends out electrical zaps targeting the brain’s mood centers. Under the watchful eye of the algorithm, the system continues its stimulation until the malfunctioning circuits are shocked back into a “happy” state.

마치 미드 블랙미러에서 나올법한 얘기라고 생각된다면, 당신은 혼자가 아니다. 이번 달에 열린 신경과학협회 연례컨퍼런스에서는 두 팀이 우리를 영원한 행복으로 이끌어줄 수도 있는 신기술을 소개했다.

한번 상상해보자: 일련의 작은 전극이 뇌의 여러 부분에 심겨져 뇌의 전기활동을 실시간으로 기록한다. 이렇게 얻은 자료는 개인맞춤형 알고리즘(이른바 기분지도)에 입력되며, 해당 알고리즘은 오로지 뇌파만으로 사람의 기분을 측정할 수 있다.

알고리즘이 우울증에 해당되는 패턴을 발견했을 경우에는 뇌의 기분중추에 전기자극을 가한다. 해당 과정은 오류가 발생한 뇌의 신경회로가 다시 "행복한" 상태로 되돌아갈 때까지 전기자극을 반복한다.

Here, the algorithm is in complete charge. Every zap and tweak happens under the hood. The system doesn’t need guidance from a physician, and the person isn’t aware of the zaps—that is, other than a general sense of relief from sadness.

Funded by the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), scientists are hoping these futuristic “closed-loop” implants may one day help veterans with post-traumatic stress disorder (PTSD) or people with severe depression that don’t respond to drug treatments.

“The brain is very different from all other organs because of its networking and adaptability,” says Justin Sanchez, program manager at DARPA. “Real-time, closed-loop neural interfaces allow us to move beyond the traditional static view of the brain and into a realm of precision therapy.”

여기서 알고리즘은 모든 과정을 담당한다. 모든 전기자극과 조정은 알고리즘의 감시 하에서 수행된다. 해당 시스템은 내과의사의 지도를 필요로 하지 않으며, 사람 자신은 전기자극을 의식하지 못한다. 그저 우울에서 벗어나는 느낌만 받을 뿐이다.

현재 달빠는 이와 유사한 사업에 자금을 지원하고 있으며, 과학자들은 미래에 개발될 "폐쇄루프식" 임플란트가 퇴역군인의 외상후스트레스장애 치료 혹은 약물치료가 통하지 않는 심각한 우울증 환자들에게 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

"뇌는 그 연결성 및 적응성에서 나머지 장기들과 매우 다릅니다"라고 달빠의 프로젝트 매니저인 저스틴 산체스가 말했다. "실시간 폐쇄루프형 신경접속기는 뇌에 대한 기존의 정적 관점을 벗어나 정밀치료의 영역으로 우리를 이끌 것입니다".

Although the system is aimed at helping people with mental illness, its potential impact may reach a far wider slice of society.

Without doubt, brain surgery is a high price to pay for “stimulated happiness,” especially for the average person. Yet it’s conceivable that components of the system may eventually be replaced by non-invasive ways to measure and stimulate brain activity.

What happens then? Would you trust others with direct, constant, chronic access to your inner feelings? Would you be tempted to drown out all other emotions with happiness?

비록 위에서 말한 시스템은 정신적 장애를 겪고 있는 사람들을 돕는데 목적이 있으나, 그 잠재적인 영향은 사회 전반에 미칠 수 있다.

의심의 여지가 없이, 뇌수술은 "가상의 행복"에 대한 대가치고는 너무 비싸다. 하지만 해당 시스템의 구성요소들이 결국에는 비침습적으로 뇌의 활동을 측정하고 자극하는 방식으로 대체되리라 예상할 수 있다.

그 다음에는 무슨 일이 벌어질 것인가? 내적인 감정에 직접적이고, 지속적이고, 만성적으로 접근할 수 있는 외부인을 과연 신뢰할 수 있는가? 또는 다른 감정들을 모두 행복감으로 대체하려는 유혹을 받을 것인가?

Dig Deep

더 깊게 들어가 보아요

Of course, that’s assuming the system actually works.

The core of the system relies on a decades-old technology, deep brain stimulation (DBS).

First approved for treating movement symptoms in Parkinson’s disease, DBS relies on electrodes directly implanted into the brain to deliver electrical pulses. These pulses interact with local neurons and alter their activity.

Like tossing a pebble into a pond of still water, changes to this core group of neurons ripple out across neural circuits. Although neuroscientists haven’t quite figured out the specific mechanisms, DBS seems to provide relief to a slew of neurological disorders. That is, at least in small, scattered trials.

물론 이건 위에서 말한 시스템이 실제로 효과가 있다고 가정할 때 얘기다.

해당 시스템의 핵심은 이미 수십 년 전에 개발된 심뇌자극 기술이다.

파킨슨병의 운동증상 치료에 처음으로 승인된 심뇌자극 기술은 전극을 뇌에 직접 삽입하여 전기펄스를 가하는 기술이다. 이 전기펄스는 국부신경과 상호작용하여 신경의 활동을 바꾼다.

마치 조용한 호수에 돌을 던지는 것처럼 핵심 신경군의 변화는 신경회로 전체에 영향을 끼친다. 비록 그 구체적인 과정은 신경과학자들도 아직 정확히 모르고 있지만, 심뇌자극 기술은 많은 신경질환을 완화해주는 것으로 드러났다. 최소한 소규모의 산발적인 임상시험에서는 이런 결과를 보이고 있다.

In one early demonstration of the power of DBS, a scientist turned the stimulation system on and off while asking a patient with depression how she felt. Incredibly, the patient only reported feelings of “a cloud lifting” when the system was on—even though she wasn’t aware that the researcher had flipped on the electrical pulses.

This and other early success stories prompted a recent large-scale trial with 90 people with depression. The bad news: on average, the study did not find any improvements after a year of treatment.

But to Dr. Edward Chang, a neuroscientist at University of California, San Francisco (UCSF) who is leading one of the projects, that’s not the end of the story.

심뇌자극기술의 효과성을 보여주는 어떤 실험에서는 한 연구자가 자극시스템을 반복하여 키고 끄면서 우울증 환자에게 어떤 기분인지 물었다. 놀랍께도 환자는 시스템이 켜져 있을 동안에는 "구름 위로 떠오르는 듯한 기분"을 느꼈다고 답했다. 연구자가 전기펄스를 가하고 있다는 사실은 전혀 인식하지 못한 상태에서 말이다.

위에서 말한 사례 및 기타 성공사례에 기반하여 90명의 우울증환자를 대상으로 대규모 임상실험이 시작되었다. 매우 안타깝게도 1년에 걸쳐 치료를 진행했음에도 평균적으로는 아무런 개선이 없었다.

하지만 상기 프로젝트를 주도하고 있는 캘리포니아주립대학의 신경과학자 에드워드 창 박사는 이것이 이야기의 끝이 아니라고 말한다.

Most DBS systems treat depression like the same thing, whether or not the person exhibits different symptoms. These systems pound the brain with constant electrical pulses. The stimulation protocol is set by a physician, rather than according to the patient’s actual brain state.

The key, according to Chang, is to design implants specifically to treat symptoms tailored to each individual—and to turn the system on only when needed.

대부분의 심뇌자극시스템은 우울증 환자가 어떤 증상을 가지고 있는지에 상관없이 모든 우울증을 똑같은 방식으로 치료한다. 해당 심뇌자극시스템은 뇌에 지속적인 전기펄스를 가하는데, 전기자극 프로토콜은 내과의사가 설정한다. 이 때 환자 뇌의 상태는 전혀 고려되지 않는다. 에드워드 창 박사는 각 환자의 뇌 상태를 고려한 맞춤형 뇌 임플란트를 설계해야 하며, 필요할 때에만 임플란트가 작동하도록 만들어야 한다고 주장한다.

Mood Map

기분지도

Together with Dr. Omid G. Sani, an electrical engineer at the University of Southern California, the team developed an algorithm that translates brain waves to subjective feelings of mood.

His team worked with six patients with epilepsy, who already have electrodes implanted into their brains to hunt down the source of their seizures. Over a period of one to three weeks, the team tracked each patient’s brain activity in detail, while monitoring their mood through a standardized questionnaire.

남캘리포니아주립대학교 전기기술 전공자 오미드 사니와 협력하여 연구팀은 뇌파를 주관적인 기분으로 환산하는 알고리즘을 개발해냈다.

연구팀은 뇌전증을 앓고 있는 환자 6명을 대상으로 실험을 수행했는데, 해당 환자들은 뇌전증을 유발하는 뇌 부분을 알아내기 위해 전극을 삽입한 상태였다. 1주에서 3주에 걸쳐 연구팀은 환자 각각의 뇌 활동을 구체적으로 추적하는 동시에 일반적인 설문지를 사용하여 환자의 기분상태를 기록했다.

By comparing the two types of information, the team developed an algorithm that extracted a small number of “neural predictors”—dynamic patterns of activity in neural networks—that could accurately predict a person’s ever-changing feelings.

A few “hotspots” emerged, including the limbic system, a previously identified hub for regulating mood and motivation.

“These dynamical mood biomarkers and mood decoding algorithms can provide insight into brain processes underlying mood regulation,” concludes Sani.

상기한 두 종류의 정보를 취합하여 연구팀은 소수의 "신경예측자"(신경망 활동의 동적 패턴)을 추출해내어 환자의 지속적으로 변화하는 기분을 정확하게 예측해내는 알고리즘을 개발해냈다.

실험 과정에서 연구팀은 기존에 기분 및 동기를 제어하는 것으로 알려진 변연계를 포함하여 소수의 "열점"을 발견해냈다.

"동적인 기분 생체표지자 및 기분 해석 알고리즘은 기분 조정과 관련된 뇌내 프로세스를 이해하는데 도움을 줄 것입니다"라고 오미드 사니는 말했다.

This is also the first step towards personalized stimulation therapies for depression based on feedback of the estimated mood, he adds.

According to Nature, Sani and Cheng have already developed a prototype system ready for human tests. Similar closed-loop systems have already been tested in a handful of people, but Cheng stresses that these preliminary results need to be further validated.

또한 이는 미래에 환자가 느낄 것으로 예상되는 기분의 피드백에 기반한 맞춤형 우울증 치료를 향한 첫 발걸음이라고 그는 덧붙였다. 네이처지에 따르면, 오미드 사니와 에드워드 창은 이미 인간대상 실험용 프로토타입 시스템을 개발해 놓은 상태이다. 유사한 폐쇄루프형 시스템은 이미 다수의 사람들을 대상으로 실험되었지만, 에드워드 창은 해당 결과가 아직 이르며 앞으로 검증을 거쳐야 한다고 강조했다.

Across the Board

분야를 넘어서

The second team, led by neurosurgeon Dr. Emad Eskandar at the Massachusetts General Hospital, takes a slightly different approach.

Dubbed “trans-diagnostics,” the approach looks at commonalities in different psychiatric disorders, rather than a specific mood disorder. The team then develops algorithms that capture and distill brain activity associated with these common traits—for example, increased anxiety, forgetfulness, or lack of empathy.

To Eskandar, brain waves are only a small part of the data. His team also hopes to record the activity from individual neurons, in a bid to identify those that go awry in mental illness.

매사주세츠종합병원의 에마드 에스칸다르 박사가 이끄는 또다른 연구팀은 약간 다른 접근방식을 택했다.

이른바 "범진단법"이라고 불리는 이 접근방식은 특정 기분장애보다는 다양한 정신장애가 가지는 공통점에 초점을 맞추고 있다. 연구팀은 일반적인 속성(불안감의 증가, 건망증, 공감능력 부족 등)과 관련된 뇌 활동을 포착하고 추출해내는 알고리즘을 개발하고 있다.

에마드 에스칸다르는 뇌파가 뇌가 가지고 있는 자료의 작은 부분에 지나지 않는다고 주장한다. 또 그가 이끄는 연구팀은 뉴런 각각의 활동을 기록하여 정신질환이 있을 시에 잘못된 행동을 보이는 뉴런을 식별하려 시도 중이다.

It’s a highly ambitious goal. If successful, Eskandar would be able to hunt down disease symptoms from single neurons to neural circuits to brain-wide activity—a full, multi-layered atlas for physicians to consult for treatment options.

As a taste of what-could-be, they presented an algorithm at the conference that detects when people have a lapse in attention. The participants were asked to concentrate on a task—for example, identifying emotions on computer-generated faces—while having their brain activity monitored. The algorithm eventually learns to pick out neural activity patterns associated with distraction.

이는 매우 야심찬 목표이다. 만일 이 계획이 성공한다면 에마드 에스칸다르는 개별 뉴런에서 신경회로, 뇌 전체의 활동에 이르기까지 정신질환 증상을 추적해낼 수 있을 것이다. 이렇게 되면 치료방법을 제안하는데 있어 내과의사들이 활용할 수 있는 일종의 완전한 다층 지도가 만들어지는 셈이다.

앞으로 개발될 시스템의 이해를 돕기 위해, 컨퍼런스에서 연구팀은 주의력이 떨어지는 시점을 감지하는 알고리즘을 소개했다. 연구팀은 실험대상자들은 특정 과제(예를 들어 컴퓨터가 생성하는 사람 얼굴이 어떤 기분인지를 알아맞추기)에 집중하도록 만든 후 이들의 뇌활동을 기록했다. 알고리즘은 해당 기록을 토대로 주의력이 산만해질 때 나타나는 뉴런활동 패턴을 탐지하는 법을 배운다.

When the team stimulated the volunteers’ brains in a region normally responsible for decision-making, their performance in the task markedly improved. The “scatterbrain” neural activity patterns also disappeared.

The team is now working on automating the process so that the algorithm directly triggers stimulation during lapses in attention.

연구팀이 실험대상자들의 뇌에서 의사결정과 연관된 부위를 자극하자, 실험대상자들의 과제 수행능력이 크게 향상되었다. 산만함과 관련된 신경활동 패턴도 사라졌다.

현재 연구팀은 위에서 말한 과정을 자동화하여 주의력이 산만해질 때 알고리즘이 직접 전기자극을 가하도록 연구 중에 있다.

Inside Out

인사이드 아웃

If realized, these DARPA projects would completely transform our treatment of mental illnesses. But scientists are already worried that we may be stumbling into an ethical minefield.

To fully implement these closed-loop systems, the algorithm has to know at all times a person’s true feelings. Although it doesn’t explicitly report mood fluctuations, the data is accessible to researchers and physicians. And if such a treatment is ever commercialized, could patients trust companies to keep their inner feelings safe and private?

만일 달빠에서 추진하고 있는 이 프로젝트들이 정말로 성공한다면, 정신질환의 치료에 큰 변혁을 가져다줄 것이다. 하지만 과학자들은 우리가 도덕적인 지뢰밭에 들어온 것이 아닌지 우려하고 있다.

상기한 폐쇄루브형 시스템을 본격적으로 사용하기 위해서는 알고리즘이 인간의 실제 기분을 항상 파악하고 있어야 한다. 비록 알고리즘이 기분의 변화를 직접적으로 외부에 보고하지는 않지만, 해당 자료는 연구자와 내과의사들이 볼 수 있다. 만일 이러한 치료기술이 상용화 된다면, 과연 환자들은 회사가 자신의 내적 감정을 안전하고 기밀하게 보관한다고 신뢰할 수 있을까?

Some scientists are also worried what an electric happy pill would mean for a person’s sense of self.

“With any treatment of any brain disease we risk trying to make everyone the same, and treat any variation from the norm as sickness,” Dr. Karen Rommelfanger at Emory University with regards to DBS.

“For the first time we’re going to have a window on the brain,” he says.

또한 몇몇 과학자들은 전기적인 행복알약이 인간의 자아감각에 어떤 영향을 끼칠지 우려하고 있다.

"뇌 질환을 치료하는 과정에서 모든 사람들을 똑같게 만들거나 평균에서 벗어난 모든 변이를 질병으로 간주할 위험이 있습니다"라고 심층자극기술과 관련하여 에모리대학교의 카렌 로멜팽거 박사가 말했다.

"우리는 마술적 사고를 원합니다. 하지만 과연 우리가 우울증을 없애려 하는 것일까요? 아니요, 그리고 그렇게 되어서도 안 됩니다. 인간으로 있다는 것은 곧 다양한 경험을 의미하기 때문입니다"라고 카렌 로멜팽거는 말했다.

이런 논의를 하는 것은 빠르면 빠를수록 좋다. 하지만 에드워드 창 박사는 가까운 미래에 얻을 수 있는 이익(각종 증상들이 유발되기 전에 미리 병이 언제 재발할지 알아내는 것)이 상기한 프로젝트의 유용성을 입증해주고 있다고 생각한다.