キャシー・ハッチンソンは車椅子の前のテーブルに置かれたコーヒーのタンブラーをじっと見つめ、深く集中していた。頭に取り付けられたカップ型のドームが、小さな神経インプラントに電力を供給し、マグカップを持つことを考えるたびに運動皮質からの信号を捉えていた。ゆっくりと、ロボットアームが動き始めた。
肘を前に振り出し、手首を回し、指でカップを握りしめた。次の瞬間、彼女は一気にコーヒーを口に含んだ。15年前に脳卒中を患って以来、介護者の助けを借りずにコーヒーを一口飲んだのは初めてだった。この偉業は、神経インターフェースシステムを用いた進行中の臨床試験の一環であり、人が自身の脳信号を使ってロボットアームを操作した初の実証であり、また初の論文発表となった。これは神経科学と工学における大きな飛躍的進歩であり、将来的には麻痺のある人々がより自立した生活を送る上で役立つかもしれない。
ブラウン大学工学部教授でマサチューセッツ総合病院の神経科医でもあるリー・ホックバーグ博士は、脳制御技術はハッチンソンさんのような患者（S3患者）のコミュニケーション能力、運動能力、そして自立性を回復させる可能性があると述べた。「脳信号から直接解読された動作の意図を、補助器具や義肢を制御するためのコマンドに変換する技術を提供したいと考えています」とホックバーグ博士は述べた。
このチームによる以前の研究では、麻痺した患者が思考でコンピューターのカーソルを操作できることが証明されており、昨年秋にはデューク大学医療センターの神経科学者たちが、サルが思考でロボットアームを操作できることを証明しました。本日Nature誌に掲載されたこの新しい論文は、この技術が人間にも機能することを示しています。ハッチンソンさんは、ブレインゲートと呼ばれる技術の開発を主導してきた共同著者のジョン・ドナヒュー氏によると、インプラントを5年間装着していました。インプラントとハッチンソンさんの運動皮質自体がこれほど長期間機能していたという事実は、心強い兆候だとドナヒュー氏は述べました。
「脳卒中で脳が手足から切り離されてから15年経ったが、彼女はまだすべての神経信号を作り出すことができた」と彼は語った。
この技術が広く普及するにはまだ遠いが、ドノヒュー氏とホックバーグ氏は記者会見で、これまでの成功に勇気づけられていると語った。
患者の思考を解釈するために、科学者たちは神経信号を解読するための一連の訓練を受ける必要がありました。2人の患者は、それぞれ異なるロボットアームを観察されました。1つはドイツのDLRロボティクス・メカトロニクス研究所が開発し、もう1つはDARPAアームとしても知られるDEKA研究開発会社が開発しました。科学者たちはアームの動きを制御し、患者たちは自分が同じ動きをしているところを想像するように指示されました。
「そうすることで脳内に電気的なパターンが引き起こされ、私たちはロボットに『このパターンはロボットを動かすという意味です』と指示します」とドノヒュー氏は述べた。「人が動くことを考えたとき、脳は実際に動くときに起こるはずのパターンを引き出しますが、もちろん実際には動きません。運動野は、脳卒中や脊髄損傷などの出来事から何年も経っても、正常に機能しているようです。」
58歳のハッチンソンさんは脳幹梗塞を患い、発話と首から下の運動機能を失いました。彼女は時折、腕の不随意運動を経験しますが、これは制御できません。もう一人の被験者であるT2と呼ばれる66歳の男性も脳幹梗塞を患い、発話と運動機能を失いました。脳卒中発症後、両患者とも眼球運動が制限される「閉じ込め症候群」に悩まされていました。ホックバーグ氏によると、T2さんはアルファベットを読み上げると、個々の文字に反応することでコミュニケーションを取っています。ハッチンソンさんは首の動きが制限されるものの、ある程度回復しています。
患者の神経信号を解読しながら、彼らは腕を伸ばして目の前に置かれた泡のターゲットを掴むように指示された。その後、ハッチンソンさんはコーヒーの実験も行った。ホックバーグ氏によると、それは2011年4月12日のことだ。下の動画でご覧ください。2分になる直前に、液体がストローから流れ出ています。彼女の表情がすべてを物語っているとホックバーグ氏は言います。
論文によると、4日間にわたる158回の試行において、DLRロボットアームを使用した場合、制限時間内に標的に接触できた割合は48.8%、DEKAアームを使用した場合は69.2%であった。DEKAアームを使用した45回の試行では、T2は95.6%の確率で標的に接触した。
「自分の腕を動かすことをイメージしたら、DEKA の腕が自分の望む場所に動いたんです」と彼は後に語った。
DLRとミュンヘン工科大学のバイオニクスおよび補助ロボット部門の責任者であるパトリック・ファン・デル・スマグト氏は、目標は直感的な動作を持つロボットアームを使うことだと述べた。将来的には、患者の高次の意図を解読することで、アームの自律性を高めることができるだろうと同氏は述べた。
「得られる信号から、動きそのものだけでなく、その動きの意図も読み取ることができます。カップに向かって動いているなら、カップを掴もうとしているのが明らかです」と彼は言った。
この研究は退役軍人省と国立衛生研究所が資金提供した。
最終的な目標は、麻痺した患者や手足を失った人が周囲の環境を完全に制御できるようにする、より小型で、おそらくは埋め込み型のシステムだ、とホックバーグ氏は語った。
「本当の夢は、いつの日か脳と手足を再びつなぎ、運動野から末梢神経へと強力な信号を送ることです。麻痺のある人が、自分の意志で手を伸ばしてコーヒーカップを拾えるようになるでしょう」と彼は語った。
