[한국대학신문 이원지 기자] 고려대학교(총장 정진택) 인공지능학과 이성환 교수(교신저자)와 이민지 박사(제1저자)의 연구 논문이 세계적인 권위의 과학저널 <네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)>에 유럽 현지시간 25일 게재됐다.

이 교수팀의 논문 ‘Quantifying Arousal and Awareness in Altered States of Consciousness using Interpretable Deep Learning’은 설명 가능한 딥러닝을 사용해 매우 짧은 뇌 신호만으로 의식의 깊이를 정량화할 수 있는 의식 지표인 ‘Explainable Consciousness Indicator(ECI)’를 제안했다.

의식의 정량화는 수면 장애 환자, 수술 시 발생할 수 있는 각성과 같은 사고를 막기 위한 마취 심도 측정, 의식 장애 환자의 진단 등 다양한 분야에서 활용할 수 있는 뇌과학 분야의 핵심 기술이다. 의식은 지각(awareness)과 각성(arousal)의 두 가지로 구성되어 있는데 현재 가장 신뢰받고 있는 의식 지표로인 Perturbational Complexity Index(PCI)는 지각만을 측정할 수 있어 Ketamine과 같은 마취제나 꿈을 꾸는 Rapid eye movement(REM) 수면에서는 완전히 깨어있을 때와 구분이 불가능하다. 또한 최소 5분 정도의 뇌 신호가 필요로 해 데이터 획득에 시간 소모가 많다.

그러나 이번에 개발된 ECI지표는 각성과 지각 두 요소를 동시에 측정하는 세계 최초의 의식 지표로서 수면, 다양한 마취제를 활용한 마취 상태, 진단이 모호한 의식 장애 환자의 경우에도 모두 명확한 구별이 가능하다. 또한 1초 가량의 짧은 뇌 신호만으로도 실시간으로 의식의 깊이를 측정이 가능하고 의식 수준과 관련 뇌 활성 부위를 설명해준다는 점에서 매우 실용적인 지표다.

이 교수는 “사람들은 흔히 불러서 반응이 있으면 의식이 있고 반응이 없으면 의식이 없다고 간단하게 생각하지만 실제로 의식은 굉장히 복잡한 뇌의 정신 작용”이라며 “이번 논문은 의식의 수준을 각성과 지각 두 요소에서 실시간으로 정량화하여 설명해주는 세계 최초의 기술”이라고 말했다. 또한 “수면, 마취, 질병 등 다양한 분야에 적용이 가능한 의식 지표로서 수술 중 환자의 마취 심도를 측정한다거나 식물인간과 같은 의식 장애 환자의 진단에도 유용하게 사용할 수 있는 기술이다. 특히 환자는 데이터를 길게 획득하기 어려운데 짧은 신호로 신뢰성 있는 지표를 계산할 수 있다는 점에서 괄목할 만한 성과”라고 연구 의의를 전했다.

이번 연구는 University of Wisconsin at Madison, University Hospital of Liège 연구 팀과 공동으로 수행했다. 과학기술정보통신부·정보통신기획평가원 ‘인공지능대학원지원사업’과 ‘AI혁신허브사업’의 지원을 받아 수행됐다.