新しいワイヤレス脳インプラントは、麻痺したサルの歩行を助けます。次は人間かもしれません。

二人の麻痺患者はすぐに立ち上がってトレッドミルで歩いていました。この印象的な偉業は、前例のない新しい手術によって可能になりました。研究者は、患者の脳にワイヤレスデバイスを埋め込み、脳の活動を記録しました。この技術により、脳は下肢と通信し、壊れた脊髄経路を迂回して、患者が再び制御を取り戻すことができました。

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これらの患者はサルだったことが判明しました。しかし、サルのためのこの小さなステップは、何百万人もの麻痺した人の大きな飛躍につながる可能性があります：同じ機器はすでにヒトでの使用が承認されており、人間の脊髄刺激法の治療効果をテストするための臨床研究がスイスで進行中です（マイナス脳移植）。研究者が概念実証を手に入れた今、この種のワイヤレスニューロテクノロジーは麻痺回復の未来を変える可能性があります。

科学者たちは、通常、四肢に脳の信号を送る損傷した脊髄経路を修復しようとする代わりに、麻痺を逆行させる革新的なアプローチを試みました。損傷のボトルネックを完全に回避します。スイスのÉcolePolytechniqueFédéralede Lausanne（EPFL）の研究者であるTomislav Milekovicは、インプラントが脳と脚の間の橋として働き、脚の動きを指示し、筋肉の動きをリアルタイムで刺激します。 Milekovicと共著者は、水曜日にジャーナルNatureで発表された新しい論文で彼らの発見を報告しています。

脳のニューラルネットワークが情報を処理するとき、それは科学者が解釈することを学んだ特有の信号を生成します。霊長類の歩行を駆動するものは、運動皮質として知られているダイムサイズの領域に由来します。健康な人では、信号は脊髄を通って腰部に到達し、そこで足の筋肉の活性化を指示して歩行を可能にします。

外傷による損傷がこの関係を断ち切ると、被験者は麻痺します。脳はまだ適切な信号を生成することができ、足の筋肉を活性化する神経回路網は無傷ですが、これらの信号は決して足に届きません。研究者は、リアルタイムのワイヤレステクノロジーを介して接続を再確立することができました。これは前例のない偉業です。

システムはどのように機能しますか？チームの人工インターフェースは、脳の運動皮質に埋め込まれたほぼ100個の電極の配列から始まります。脚の動きを制御する脳内の電気的活動のスパイクを測定する記録装置に接続されています。デバイスはこれらの信号をコンピューターに送信し、コンピューターはこれらの指示を解読し、損傷の下の下部脊髄に埋め込まれた別の電極アレイに変換します。電極の2番目のグループが指示を受信すると、脚の適切な筋肉グループをアクティブにします。

研究のために、2匹のアカゲザルが実験室で脊髄損傷を受けました。手術後、数日かけて回復し、システムが自分の状態に関する必要なデータを収集して調整するのを待つ必要がありました。しかし、けがのわずか6日後、1匹の猿がトレッドミルで歩いていました。もう1人は、負傷後16日に起きて歩いていました。

脳移植の成功は、神経テクノロジーと脊髄刺激が霊長類の歩行能力をどのように回復できるかを初めて示しています。「システムは、トレーニングや再学習なしで運動運動を即座に回復しました」と、データ駆動型の神経補綴システムを設計するMilekovic氏はSmithsonian.comに語りました。

「初めて脳と脊椎のインターフェースをオンにしたのは、忘れられない瞬間でした」と、EPFLの研究者であるMarc Capogrosso氏は声明で付け加えました。

新しい脳インプラントは、足の筋肉群に無線で信号を送信します。（Jemere Rubyによるイラスト）

脳のニューラルネットワークを「ハッキング」する技術は、着用者が卵を割るなどのデリケートなタスクを実行できるようにするタッチセンシティブな補綴物の作成を支援するなど、注目に値する偉業を生み出しています。しかし、これらの取り組みの多くは、脳と記録装置間のケーブル接続を使用しているため、被験者は自由に動くことができません。「手と腕の動きの神経制御を詳細に調査しましたが、動物が自由に自然に動くことを必要とする脚の動きの神経制御にはあまり焦点を当てていませんでした」とミレコビッチは言います。

研究に関与しなかったケベック大学ラヴァル大学の神経科学者であるクリスチャン・エティエは、この研究を「神経補綴システムの開発における主要な前進」と呼びました。「このデモンストレーションが侵襲性脳の翻訳を加速すると信じています。 -人間のアプリケーションに向けたコンピューターインターフェース。

Natureの付随するNews＆Viewsの記事では、神経科学者のAndrew Jacksonが同意し、この分野の進歩がサルから人間にどれだけ早く移行したかを指摘しています。たとえば、2008年の論文は、麻痺したサルが脳だけでロボットアームを制御できることを実証しました。 4年後、麻痺した女性が同じことをしました。今年の初め、2012年にサルで同じ偉業が達成された後、脳制御筋刺激により、四肢麻痺の人は他の実践的な手のスキルの中でもアイテムを把握することができました。

ジャクソンはこの歴史から、「10年の終わりまでに脳と脊髄の間の界面の最初の臨床的実証を見ることができると推測するのは不合理ではない」と結論付けている。

サルの脳に埋め込まれたブラックロック電極アレイは、BrainGate臨床試験で脳の活動を正常に記録するために12年間使用されています。多くの研究により、この信号が複雑な神経補綴デバイスを正確に制御できることが実証されています。「外科手術が必要ですが、アレイは、パーキンソン病またはその他の運動障害のある130, 000人以上の人々がすでに使用している外科的に埋め込まれた脳深部シミュレータよりも1桁小さいです」とMilekovic氏は付け加えます。

このテストは、歩行歩容に関連する脳活動のいくつかのフェーズに限定されていましたが、エティエは、将来的により広い範囲の動きを可能にする可能性があることを示唆しています。「これらの同じ脳インプラントを使用して、運動機能をより詳細にデコードすることができます。これは、把持機能を回復するために行ったことと同様です。 ...将来の開発は障害を補い、歩行速度を調整するような他の能力を含むことを期待しています。」

エティエは、もう1つの興味深い可能性を指摘しています。無線システムは、実際に体を癒すのに役立つ可能性があります。「脳と脊髄の運動中枢での活動を再同期化することで、いわゆる「活動依存性神経可塑性」を促進し、脳と筋肉をつなぐ余裕のない接続を強化することができます」と彼は言います。「これは長期的な治療効果をもたらし、従来のリハビリテーション療法で可能なものを超えて機能の自然な回復を促進する可能性があります。」

この現象はよく理解されておらず、この時点で可能性は推測のままであると彼は強調する。しかし、この研究が実証する具体的な成果、つまり脳で麻痺した歩行を再び支援することは、すでに大きな一歩です。