参加者の一人は胸を指さした。そこがトレッドミルに足が当たったと感じた場所だと彼女は説明した。足そのものでも、その下の地面でもなく、怪我の上のどこかにある感覚が、彼女の脳が何か有益なものに変換することを学習したのである。 「足がトレッドミルに当たったような感覚はありませんでした」と彼女は言いました。「でも、それに近い感覚はありました。」
「近い」という言葉は、脊髄損傷の研究において非常に重要な意味を持ちます。腰から下のすべての感覚と動きを失った人々にとって、正常に近づくことは慰めではありません。それは臨床上のマイルストーンです。
からのチーム ブラウン大学ロードアイランド病院とVAプロビデンス・ヘルスケアは今回、完全脊髄損傷患者における運動制御と感覚フィードバックの同時実証を初めて実証した、小規模だが重要な臨床試験の結果を報告した。調査結果は、 自然生物医工学。
ブラウン大学の工学と脳科学の准教授であるデイビッド・ボートン氏（左）と、ブラウン大学の博士研究員として研究を主導したカリフォルニア大学デービス校の助教授ジョナサン・カルバート氏（右）。 (クレジット: Nick Dentamaro)
2 つのアレイ、1 本の損傷したコード
ボランティア３名が参加しました。全員が胸髄完全損傷により脚を使えなくなっていた。外科医は、各参加者の脊椎に沿って 2 つの小さな電極アレイを埋め込み、1 つは損傷部位の上に、もう 1 つはその下に配置しました。どちらのアレイも、通常は無傷の脊髄を通過する信号を模倣するように設計されたパターン化された電気パルスを送達しました。
研究は参加者1人当たり12～14日間実施され、すべて病院内で実施された。最後に、電極アレイを取り外した。
これまでの研究では、脊髄損傷の下に刺激を与えると、脚の動きに関与する神経ネットワークが活性化する可能性があることが証明されていました。これまで試みられたことのなかったのは、その運動刺激を、損傷の両側を同時にターゲットにして、手足の位置の感覚認識を回復するための同時戦略と組み合わせることでした。
「完全脊髄損傷患者において運動刺激と感覚フィードバックが同時に実証されたのはこれが初めてです」とブラウン大学工学部准教授でVA神経回復・神経工学センターの生体医工学技師でもあるデイビッド・ボートン氏は述べた。 「運動活性化と同時に感覚フィードバックを提供することにより、私たちは協調運動と機能的自立の回復に向けて前進しています。」
DJボード
歩行実験を行う前に、研究チームはどの電気パターンが実際に各人に有益な脚の動きを生み出すかを把握する必要がありました。脊髄は単純なシステムではありません。ある人の筋肉を活性化するパラメータは、他の人には何も起こらない可能性があります。調整可能な振幅、周波数、位置を備えた 32 チャンネルの電極アレイ全体で適切な設定を見つけるには、膨大な数の可能な組み合わせが必要になります。
対麻痺患者の感覚運動機能を回復するための病変間EESフレームワーク。 (クレジット: Nature Biomedical Engineering)
その複雑さを乗り越えるために、研究者らはDJボードと呼ぶものを構築した。これは、参加者が自分の足の反応を見ながら、リアルタイムで自分の刺激を直接調整できるノブとスライダーからなる物理的なコントロールパネルだ。参加者には目標とする脚の位置とポーズが与えられ、脚がその位置に到達するまで設定をダイヤルしました。
「参加者は、DJボードを使うのが実際にとても楽しかったと話してくれました」と、研究主著者で神経外科助教授のジョナサン・カルバート氏は語った。 カリフォルニア大学デービス校 彼はブラウン大学の博士研究員としてこのプロジェクトに取り組みました。 「彼らは、足が再び動くのを確認でき、インターフェイスを通じて自分でコントロールできることを本当に楽しんでいました。」
これらのセッションからのデータは、ブラウン大学の認知科学および言語科学の教授であるトーマス・セールによって開発された機械学習モデルを訓練しました。このアルゴリズムは、試行錯誤だけで管理できるよりもはるかに効率的に、ターゲットの筋肉パターンと刺激パラメーターの間の最適な一致を見つけました。
「可能性のある刺激の空間は広大で、試行錯誤によって効率的に探索するには大きすぎます」と、共著者で最近博士号を取得したラクシュミ・ナラシンハン・ゴビンダラジャン氏は言う。現在セールの研究室を卒業しています と。 「機械学習は、刺激パターンをより効率的に検索してパーソナライズする機会を提供します。」
直接的な線のない感覚
感覚への挑戦には、まったく異なる戦略が必要でした。脊髄が完全に損傷すると、通常は脚から脳まで感覚を伝える神経経路が切断されます。これらの経路を直接刺激する方法はありません。研究者らは代わりに、脳との接続が無傷のままである損傷箇所の上の脊髄を標的としたが、その接続は脚ではなく胸、肩、腕にマッピングされている。
彼らが使用したアプローチは感覚置換と呼ばれます。元の感覚を復元するのではなく、脳が解釈を学習できる新しい感覚を作成します。損傷上の刺激強度は参加者の膝関節の角度と同期しており、脚が中立位置から遠ざかるにつれて胸や腕の感覚が強くなりました。参加者は目隠しをしたまま片腕を使って、刺激から感じたものだけを頼りに自分の足の位置を示す練習をした。
参加者は、刺激によってもたらされる感覚フィードバックを利用して、関節角度を正確に報告することができました。 (クレジット: Nature Biomedical Engineering)
2 人の参加者は、実際の脚の位置と報告された脚の認識との間に 0.9 以上の相関関係を達成しました。 3 人目の参加者は、損傷の下に若干の感覚が残っていたにもかかわらず、刺激をオフにした場合よりも刺激をアクティブにした方が有意に優れたパフォーマンスを示しました。
「参加者は、刺激によって生じた感覚の強さに基づいて、膝の角度を高精度に報告できることがわかりました」とカルバート氏は述べた。 「参加者は、この種の感覚フィードバックは、車椅子への乗り降りなどの日常生活に非常に役立つ可能性があると述べました。」
ある参加者は、時間の経過とともにこのシステムを学習していったことを次のように説明しました。「それは尖った左足であること、またはそれが曲がっている右足であることはわかります。刺激をすればするほど、より多くのことを学ぶことができました。」
助けを借りて歩く
中央実験では両方のシステムを統合しました。参加者は、オーバーヘッドハーネスで支えられ、理学療法士の補助を受けながら、両方の電極アレイが同時に刺激を与えながら、トレッドミル上で足踏み動作を実行しました。
下部のアレイは、歩行に必要な筋肉群を活性化しました。上部アレイは、歩行サイクル中の足の位置に関連付けられたリアルタイムの感覚フィードバックを提供し、各足が地面に着地したときにパルスして信号を送ります。参加者は目に頼っていませんでした。
ある参加者は、87% 以上の確率で両側の足の当たりを正確に識別し、ほとんどの正しい反応は実際の接触から約 0.5 秒以内に発生しました。 2 番目の参加者は、上部アレイがオフのときよりもアクティブなときのほうが、著しく高い精度を示しました。
病巣上 EES は、量的および質的に多様な知覚を引き起こします。 (クレジット: Nature Biomedical Engineering)
最初の参加者が述べた胸の感覚、つまり自分の足がどこにあるかを知らせる感覚は、正常な感覚を完全に再現したものではありませんでした。参加者は、皮膚のすぐ下の軽い波打ちから、筋肉の内部から来るようなより深いものまで、さまざまな言葉でその感覚を説明しました。しかし、彼らはそれを使うことができた。正確さと自然さの区別は、この研究が実際に何を達成したかを理解する上で中心となります。
次に何が起こるのか
裁判は意図的に短期間に行われた。電極アレイは外部に露出されており、接続ワイヤが皮膚から出ていることを意味しており、参加者は研究中ずっと入院する必要がありました。この制約により、長期的なリハビリテーション効果、実際の使用、または管理された実験室環境の外でシステムがどのように機能するかを調査することができませんでした。
「損傷部位全体に調整された刺激がリハビリテーションにプラスの効果をもたらす可能性があると信じる理由がある」とボルトン氏は語った。 「それは今回の研究では完全に調査できたものではありませんが、今後の研究で追求する予定です。」
研究の実際的な意味
脊髄損傷を抱えて暮らす約30万人のアメリカ人にとって、現在の技術は場合によっては部分的に動きを回復させることができるが、感覚の回復は未解決の問題のままである。この研究は、臨床神経外科で痛みを管理するためにすでに一般的になっているハードウェアを使用して、完全な損傷を負った人々の両方の機能を同時にターゲットにできることを実証しました。
ここで開発された機械学習アプローチは、個々の患者向けにこれらのシステムを構成するために必要な時間と臨床リソースを削減し、広範な導入に対する主な障壁の 1 つを下げる可能性があります。この技術の完全埋め込み型バージョンは、この試験を病院環境に限定していた外部配線のないものであり、技術的に実現可能であり、論理的な次のステップとなります。
参加者は、歩行以外にも、車椅子のフットレストから足が滑り落ちたり、椅子から移乗したり、見なくても足が安全な位置にあるかどうかを知るなど、手足の位置を感知することが重要となる日常の状況を指摘しました。ここで実証されたテクノロジーは、真に役立つために自然な感覚を復元する必要はありません。必要なのは、信頼性があり、学習可能で、着用可能であることだけです。
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#電気刺激により脊髄損傷後に手足を動かす能力を回復できる
2026-03-15 11:51:00