日 게이오대, BCI 훈련 효과 입증…‘상상’만 했는데 운동 능력 향상

BCI와 AI를 활용한 이미지 트레이닝만으로 운동 반응 속도가 개선될 수 있다는 연구 결과가 나왔다. [사진: 게이오대]

[디지털투데이 AI리포터] 일본 게이오대 연구진이 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기반 이미지 트레이닝만으로 실제 운동 능력이 개선될 수 있다는 연구 결과를 발표했다.

8일(현지시간) IT 전문매체 아이티미디어에 따르면, 연구진은 국제학술지 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재한 논문에서 비침습형 뇌파 측정과 인공지능(AI)을 결합해 운동 상상 상태를 실시간으로 시각화하고, 참가자가 이를 스스로 제어하도록 훈련하는 방식의 효과를 검증했다.

연구의 핵심은 실제 운동 없이도 뇌 상태 변화를 훈련 대상으로 활용했다는 점이다. 연구진은 운동을 상상할 때와 이완 상태에서 달라지는 '감각운동 리듬'에 주목했다.

감각운동 리듬은 운동을 담당하는 뇌 영역 주변에서 측정되는 8~30헤르츠(Hz) 대역의 뇌파다. 안정 상태에서는 진폭이 커지고 운동 준비나 실행, 운동 이미지 상태에서는 진폭이 작아지는 특징을 보인다. 연구진은 해당 뇌파를 이용해 운동 이미지 상태와 이완 상태를 구분할 수 있다고 설명했다.

훈련은 참가자가 화면에 표시된 붉은 막대를 보며 자신의 뇌 상태를 빠르게 전환해 목표 위치로 이동시키는 방식으로 진행됐다. 참가자는 고밀도 두피 뇌파계를 착용하고 오른손에는 전동 보조장치를 장착한 채 이틀 동안 훈련받았다.

연구진은 참가자를 두 그룹으로 나눠 한 그룹에는 실제 본인의 뇌파를 기반으로 한 피드백을 제공했고, 다른 그룹에는 타인의 뇌파를 이용한 가짜 피드백을 제공했다. 연구는 이중맹검 무작위 대조시험 방식으로 설계됐다.

실제 뇌파 피드백을 받은 그룹에서는 뇌 상태를 의지로 전환하는 능력이 유의미하게 향상됐다. 반면 대조군에서는 같은 변화가 확인되지 않았다.

연구진은 "실제 뇌파 피드백을 받은 참가자에서만 뇌 상태 전환 능력이 개선됐다"라고 밝혔다.

효과는 장비를 제거한 이후에도 이어졌다. BCI 없이 진행한 후속 평가에서 참가자들은 근육을 빠르게 수축하는 반응 시간뿐 아니라 힘을 빼고 이완하는 반응 시간도 단축된 것으로 나타났다.

연구진은 훈련 과정에서 뇌의 광범위한 네트워크가 재구성되면서 행동 유연성이 높아졌을 가능성이 있다고 설명했다. 이번 연구는 기존 바이오피드백 훈련과 차별점도 보였다. 기존 기술 기반 훈련은 심전도, 심박수, 근전도 등 신체 반응을 측정하는 방식이 주를 이뤘고, 체육관이나 경기장 같은 물리적 환경과 장비가 필요한 경우가 많았다.

반면 이번 방식은 전극을 뇌에 삽입하지 않고도 두피 뇌파와 AI를 활용해 뇌 상태를 실시간으로 분석하고 훈련할 수 있다는 점이 특징이다. 연구진은 "뇌 자체를 직접 훈련할 수 있다"라고 설명했다.

이번 결과는 이미지 트레이닝의 한계를 보완할 가능성도 제시했다. 기존에는 참가자나 트레이너가 운동 상상이 실제로 얼마나 정확하게 수행되고 있는지 확인하기 어려웠다. 그러나 이번 기술은 뇌 상태를 시각 정보로 변환해 제공함으로써 참가자가 자신의 상태를 직접 확인하며 훈련할 수 있도록 했다.

연구진은 이번 기술이 향후 스포츠 훈련과 재활 분야에서 활용될 가능성이 있다고 밝혔다. 다만 이번 연구는 뇌 상태 전환 훈련과 운동 반응 개선 가능성을 확인한 단계로, 실제 적용 범위와 확장성은 후속 연구를 통해 추가 검증이 필요하다고 설명했다.