운동 제어에서 대뇌 피질의 신경 메커니즘은 신경과학 연구의 초점이 되어 왔지만 아직 잘 이해되지 않았습니다. "운동 피질은 근육 활동이나 운동 매개변수를 인코딩할까?" , "어떻게 부호화되는가?" -- 100년 전 운동 피질이 발견된 이래로 신체 움직임 제어에서 운동 피질의 역할 메커니즘에 대한 논쟁은 광범위한 합의에 도달하지 못한 채 계속되고 있습니다.
걷기는 인간의 주요한 움직임이며 기본적인 일상 생활 능력 중 하나입니다. 뇌졸중, 파킨슨 증후군, 다발성 경화증 등 다양한 신경 질환을 앓고 있는 환자들은 걸음걸이가 비정상적인 경우가 많습니다.
뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI)는 최근 몇 년 동안 많은 관심을 받아왔으며 마비 환자의 운동 기능, 촉각 및 텍스트 입력 기능을 회복하는 데 사용되었습니다. 임상용 BCI는 사람에게 사용하기 전에 엄격한 검증 및 검증(V&V)이 필요합니다. 비인간 영장류는 인간과 가깝기 때문에 BCI의 검증 및 검증을 포함하여 신경과학 연구에 가장 널리 사용되는 마지막 동물 모델로 간주되는 경우가 많습니다.
그림1 마비 환자를 돕기 위한 이식형 뇌-컴퓨터 인터페이스: (a) 로봇 팔의 촉각 제어, (b) 타이핑을 위한 가상의 필기 텍스트
그림2 마비 환자를 돕기 위한 이식형 뇌-컴퓨터 인터페이스: (a) 로봇 팔의 촉각 제어, (b) 타이핑을 위한 가상의 필기 텍스트
기술적 한계로 인해 과거의 대부분의 동물 BCI 연구는 유선 신경 기록 시스템을 사용하여 신경생리학적 데이터를 수집했습니다. 그러나 비인간 영장류를 위한 무선 신경 기록 시스템(이식형 뇌-컴퓨터 인터페이스)을 통해 원숭이 보행의 신경학을 연구할 수 있게 되었지만 신호 품질, 데이터 처리량, 전송 거리, 장치 크기, 에너지 공급 제한 등 해결해야 할 기술적 과제가 많이 남아있습니다.
또한 뇌-컴퓨터 인터페이스와 보행에 있어 높은 시간적, 공간적 정확도를 갖춘 모션 캡처 시스템은 매우 중요합니다. 그러나 현재의 연구는 정확도가 부족한 이미지 처리 기반 모션 캡처 시스템에 의존하고 있습니다.
운동 중 운동 피질의 역할을 이해하는 것은 지난 수십 년 동안 연구의 주요 초점이었습니다. 그러나 아직 명확하지 않으며 더 많은 연구가 필요합니다. 운동의 신경 제어에 대한 두 가지 주요 견해가 있습니다（Shenoy et al.，2013）. 한편으로는 운동 피질이 엔드 이펙터의 위치와 같은 고차 운동 매개변수를 부호화한다고 주장하는 반면, 다른 한편으로는 운동 피질이 근육 작용을 부호화한다고 생각합니다. NHP 팔 움직임에서 피질 뉴런 그룹은 움직임 방향과 밀접한 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다（Georgopoulos et al.，1986）. Wessberg et al. (2000)은 이 발견을 뒷받침하고 피질 뉴런 그룹을 사용하여 보철물을 제어했습니다. 그 이후로 운동 기능과 기록된 신경 활동 간의 관계를 해독하거나 모델링하기 위한 수십 가지 방법이 제안되었는데, 여기에는 선형 Wiener 필터（Wessberg et al., 2000; Carmena et al., 2003）, 주성분 분석（PCA， Churchland et al., 2012）, 칼만 필터（Wu et al., 2002; Li et al., 2009）, 피질 뉴런(Wessberg 등, 2002) 등이 포함됩니다. 외., 2002; Li 외., 2009) 및 장단기 기억 신경망(일반적으로 사용되는 순환 신경망인 LSTM, Tseng et al., 2019; Glaser et al., 2020).
그러나 걷는 동작은 자율성 측면에서 팔의 움직임과 다릅니다. 연구에 따르면 운동 피질은 걷기 운동과 팔 확장 운동에 다르게 기여하는 것으로 나타났습니다 (Xing et al., 2019). Drew (1988)는 운동 피질 뉴런이 고양이의 사족 보행 중에 굴근을 조절한다는 것을 발견했습니다.2017 년 마우스 모델에서 최근 연구에 따르면 운동 피질 출력은 도달 운동과 트레드밀 보행에서 상당히 다른 역할을하는 것으로 나타났습니다 Miri et al.，2017) 그러나 Yakovenko and Drew (2015)는 고양이의 운동 피질이 도달 운동과 걷기 운동에서 비슷한 역할을 한다고 제안했습니다. 이러한 상충되는 연구 결과는 NHP 모델의 증거 부족으로 인해 걷기 운동 중 운동 피질의 역할을 이해하는 데 인지적 격차가 남아 있음을 시사합니다.”
보행에서 운동 피질의 역할은 아직 명확하지 않고 추가 연구가 필요하기 때문에 미래의 뇌-컴퓨터 인터페이스 및 보행 연구에는 신경 신호와 운동 신호를 동시에 고속, 고정밀로 수집해야 합니다. 따라서 하이난대학교의 '뇌-컴퓨터 칩 신경공학' 팀은 고정밀 적외선 모션 캡처 시스템(NOKOV, Mars 4H)과 무선 이식형 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템을 기반으로 자유 동작 원숭이 걸음걸이를 위한 실험 플랫폼을 구축했습니다.
그림 3 자유 동작 원숭이 보행을 위한 실험 플랫폼
자유 동작 원숭이 보행 실험 플랫폼은 적외선 모션 캡처 시스템, 무선 신경 기록 시스템, 무선 근전도 획득 시스템, 3D 힘 측정 트레드밀로 구성되어 있으며, 피질 신경 전기 신호, 근전도, 관절 모멘트, 운동학적 파라미터를 동시에 획득합니다. 이를 통해 보행 조절에 있어 대뇌피질에서 인코딩되는 정보의 종류를 연구할 수 있습니다.
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