神経性内科学：あなたの心の力を使って傷から回復する

Neuroprostheticsは、脳とコンピュータのインターフェイスとしても知られていますが、脳とコンピュータの間の接続を作成することにより、運動や感覚障害のある人が感覚や動きを回復できるようにするデバイスです。言い換えれば、この技術によって、人々は思考の力だけで移動、聴く、見る、触れることができます。神経医学はどのように機能しますか？私たちは、この分野の5つの大きなブレークスルーを見て、私たちの心の力だけを使って、どれだけ遠くに、どれくらい遠くまで行くことができるかを見ていきます。

毎年、世界中の何十万人もの人々が、脊髄に負傷を負った結果、四肢のコントロールを失います。米国では、脊髄損傷（SCI）で34万7000人が暮らしており、これらの人々のほぼ半分が首から下に動くことができません。

これらの人々のために、人工神経装置は、大きな必要とされるいくつかの希望を提供することができます。

脳 – コンピュータインタフェース（BCI）は、通常、人間の頭蓋骨、脳の表面、または脳の組織に置かれた電極で、脳が思考を「考える」ときに起こる脳活動を監視し測定する。この脳活動のパターンは、コンピュータに「供給」されるコードまたはアルゴリズムに「変換」されます。コンピュータは、コードを、動きを生成するコマンドに変換する。

人工神経科学は、腕と脚を動かすことができない人にとっては役に立ちません。彼らはまた、知覚障害を持つ人々を助ける。世界保健機関（WHO）は、世界中の約3億6千万人が難聴の形態を失い、さらに3,900万人が盲目であると推定している。

これらの人々の中には、蝸牛インプラントやバイオニックアイなどの神経静脈治療薬が彼らの感覚を元に戻してくれていることもあります。

ここでは、神経人工器械技術の最も重要な5つの進展について、どのように働いているのか、なぜ有用であるのか、将来どのように発展するのかを見ていきます。

耳インプラント

恐らく、最も古い「神経形成装置」、蝸牛インプラント（または耳インプラント）は数十年前から存在しており、成功した神経人工装具の代表である。

米国食品医薬品局（FDA）は1980年に早期に蝸牛インプラントを承認し、2012年には米国人約6万人が移植を受けました。世界には32万人以上がこの装置を埋め込んでいます。

蝸牛インプラントは、耳の損傷部分をバイパスし、電極を用いて得られた信号で聴覚神経を刺激することによって機能する。聴覚神経を介して脳に伝達される信号は、音として認識されますが、耳のインプラントを聞くことは、通常の聴覚とはかなり異なります。

不完全な蝸牛インプラントは、ユーザーがこの感覚神経形成装置を使用して初めて自分自身を聴くことができた人々の感情的な説明に満ちているメディアを用いて、人または電話で音声を区別することを可能にする。

ここでは、最初に蝸牛インプラントを使用している29歳の女性のビデオを見ることができます：

アイインプラント

Argus IIと呼ばれる最初の人工網膜は、眼に埋め込まれた電極から完全に作られ、2013年2月にFDAの認可を受けました。人工内耳と同じように、この神経人工装具は網膜の損傷部分をバイパスし、取り付けられたカメラによって捕捉された信号を脳に送る。

これは、イメージを明るく暗いピクセルに変換して電気信号に変換することによって行われます。電気信号は電極に送られ、電極は脳の視神経に送られる。

アルーガスIIは視力を完全に回復させるものではありませんが、網膜色素変性症（眼の光受容体に損傷を与える状態）を有する患者は輪郭や形状を区別することができます。

網膜色素変性症は、米国で約10万人の人々に影響を与える神経変性疾患です。承認後、色素性網膜炎患者200人以上がArgus IIインプラントを服用しており、現在、カラー検出を可能にし、改善していますデバイスの解像度

SCIを有する人々のための神経静脈

米国ではおよそ35万人がSCIで暮らしていると推定され、2010年以降SCIを受けた人の45％が四肢麻痺と見なされ、首から下に麻痺しています。

私たちは最近、四肢麻痺の男性が自分の考えの力を使って腕を動かすことができる画期的な1人の患者の実験を報告しました。

Bill Kochevarは、彼の脳に電極を外科的に装着した。 BCIを訓練して、彼が考えた動きに合った脳の活動を「知る」ようにした後、この活動は電気パルスに変わり、脳の電極に戻ってきました。

SCIによって作成された脳と患者の筋肉との間の「短絡」を回避するために、蝸牛および視覚インプラントが損傷領域を迂回するのと同じように、このBCI領域も回避される。

この神経手技の助けを借りて、患者はうまく飲んで摂食することができました。 “私は自分の腕を動かすことを考えたので、それは素晴らしかったです”とKochevarは言います。 Kochevarは現在、研究目的でのみ利用可能な神経保護装置をテストする世界初の患者でした。

この神経形成の詳細については、以下のビデオからご覧ください。

しかし、これはSCI神経刺激薬が止まる場所ではない。スイスのローザンヌにある神経科学者Gregoire Courtineが率いるCourtine Labは、けがをした人々が足のコントロールを取り戻すのを助ける努力をしています。ラットを用いた彼らの研究努力は、麻痺したげっ歯類を歩行させ、電気信号を用いて切断された脊髄の神経を刺激することによって達成されている。

「この技術は、神経障害に直面している人々の生活の質をある程度向上させることができると確信しています」と、実験の共著者であり、コトーヌ・ラボのニューロエンジニアも述べています。

最近、アカデミー教授は国際的研究者チームがアカゲザルの自発的な脚運動を成功裏に創出するように導いた。非人工霊長類の歩行を可能にするために神経人工器官を使用したのはこれが初めてでした。

しかし、「この介入のすべての要素が人でテストできるようになるまでには、数年かかるかもしれません」と教授は言います。

感じる腕

シルベストロ・ミケラは神経造影剤に関する他のプロジェクトも率いており、その中には「感じている」ものがあります。 2014年には、センサーで強化された最初の人工手が報告されました。

研究者は、人工的な手の腱の緊張を測定し、把持の動きを制御し、それを電流に変換した。次に、アルゴリズムを使用して、これをインパルスに変換し、それを腕の神経に送って触覚を作り出しました。

それ以来、 “感じている”人工腕はさらに改善されました。ペンシルベニア州のピッツバーグ大学とピッツバーグ大学の研究者らは、四肢麻痺患者の一人であるネイサン・コープランド（Nathan Copeland）にBCIをテストした。

科学者たちは、コープランドの脳の表面、すなわち、彼の主要な体性感覚皮質の中に微小電極の鞘を埋め込み、センサを備えた人工腕にそれらを接続した。これにより、患者は触覚の感覚を感じることができ、自分の麻痺した手のように感じられた。

目隠しをしている間、Copelandは彼の人工腕のどの指が触れられていたかを特定することができました。彼が感じる感覚は、強度が異なり、圧力が違っていると感じられました。

ニューロンのための神経断熱材？

私たちは、脳を制御するプロテーゼは、患者の触覚、聴覚、視力、および動きを回復させることができることを見てきましたが、脳自体のプロテーゼを構築できるのでしょうか？

キャンベラのオーストラリア国立大学（ANU）の研究者は、人工的に脳細胞を増殖させ、機能的な脳回路を作り、脳の神経刺激の道を切り開いた。

ANUの工学研究院のVini Gautam博士らは、半導体ウェーハにナノワイヤの形状を適用することで、脳細胞を成長させてシナプス結合させる足場を作り出しました。

オーストラリアのジョン・カーティン医学研究院のプロジェクトグループリーダーであるヴィンセント・ダリア博士は、彼らの研究の成功を説明しています：

「我々は、ニューロン間の予測可能なつながりを作って、同時に発火するニューロンと機能的であることを実証しました。この研究は、ナノテクノロジーと神経科学との間のより強いつながりを構築する新しい研究モデルを開くかもしれません。

神経因性麻酔薬は、脳卒中を経験した人や、神経変性疾患に罹って神経学的に回復する患者を助けるかもしれません。

毎年米国で約80万人が脳卒中を起こしており、13万人以上が死亡しています。アルツハイマー病に罹患していると推定される500万人のアメリカ人の成人、パーキンソン病に罹患している人は1百万人、多発性硬化症を経験する人は400,000人であり、神経変性疾患も広がっている。

Facebookの最新の取り組み、BCIの開発について学んでください。