初めて、義足は生きた手のように温度を感知できる | 科学

義足を使って人間の感触を体験したいという切断患者の希望は現実に近づいています。 現在、新しい技術により、体の一部ではなくなった手足でも温度を感じることができるようになりました。

機能的な義肢には初めて、通常の義手が生きている手と同じように温度を感知して反応できるようにする指先センサーが取り付けられました。 この装置は、切断患者の断端がまだ失われた手につながっていると脳が信じている神経領域に熱情報を伝達することで、失われた「幻の」手の現実的な温冷感を提供します。 MiniTouch、金曜日に発表された研究で説明されています。 とは、手頃な価格の既製の電子機器を使用して作成されており、手術は必要なく、数時間で既存の市販の義手に取り付けることができます。

「これらの新しいテクノロジーのおかげで、自分が何に触れているのかをよりよく理解できるようになりました」と、37 年前に肘から下で腕を切断し、最近この装置をテストした 57 歳の男性、ファブリツィオ フィダティは言います。 「確かに、キッチンで料理するのが最優先ですね！」

高温と低温を感知する能力は義肢の機能にとって重要な進歩ですが、それだけではありません。 温度は接触に人間的な要素を加えます。 温もりを感じると、義足は単なる人工的な道具ではなく、人の体の一部であるという強い具現化の感覚が生まれます。

「温度のない接触は色のない視覚のようなものだと言う同僚がいます」と、主著者でスイス連邦工科大学ローザンヌ校の神経工学者ソライマン・ショクル氏は言う。 Shokur 氏は、研究者が義肢の質感を感じる能力を向上させていると指摘しています。 彼らはまた、体の一部がどこにあり、それがどのように動いているかを知る脳の能力である固有受容にも焦点を当てています。 温度は重要な第 3 の感覚であると彼は指摘します。 「次のステップは、それらをすべて組み合わせることであり、そこですべての感覚を味わうことができるのです」と彼は言います。

2023年5月、同じ研究者らは、切断患者の残存腕に熱電極を装着し、付属のセンサーで熱い物体または冷たい物体に触れて刺激すると、被験者はその熱いまたは冷たい温度に触れていると思い込んだことを明らかにした研究を発表した。彼らの失われた手。 このような幻の熱感覚を生み出す皮膚の小さな領域は切断者によって異なり、切断時に切断された神経が腕の皮膚のさまざまな場所に残っていることを示唆しています。 その皮膚の一部が熱いものや冷たいものによって刺激されると、その経路を介して、かつては手から来ていた信号が脳に送信され、切断者は失われた手にその感覚を感じることになります。

「幻の手で他人の温かさを実際に感じることができたのは、20年ぶりだった」と、2023年の研究に関連した治験を終えたローマのロベルト・レンダ氏は語った。 「誰かとつながりを持っているようなものです。 子どもたちと手をつないで道を歩くときに、子どもたちの両手の感触を感じたいと思っています。 それはいいね。”

最初の研究で 27 人中 17 人が経験したこれらの幻の熱感覚は、MiniTouch システムの存続可能性の鍵でした。 MiniTouch は、薄いウェアラブル センサーで、既存の義指の上に簡単に滑り込ませ、失われた手にいるかのような感覚を生み出すことが知られている断端の皮膚上のポイントにリンクします。 2023年の研究では、このセンサーが切断患者の温度検出に役立つ可能性があることが示されましたが、今回の研究は機能的な義肢にセンサーを使用した最初の研究となりました。

共著者のフランチェスコ・イベリテ氏は、イタリアのピサにあるサンタンナ高等研究大学院のバイオロボティクス博士号取得候補者で、最近このシステムを実際のテストで実行した。 「実験は常に被験者が積極的に周囲の世界を探索し、何の訓練も受けずに自由に物体に触れ、物事を解釈するというものでした。そしてそれは自然な手で起こっていることに非常に近いのです。」と彼は説明します。

フィダティさんは、自分の既存のプロテーゼでシステムをテストすることを志願しました。 彼は、冷水 (華氏 53 度)、冷水 (華氏 75 度)、または温水 (華氏 104 度) が入った 3 つの同一のボトルをプレゼントされました。 この装置がなければ、ボトルを区別できる確率はわずか 33% でした。 MiniTouch を使用したファブリツィオの精度は 100% でした。

次に、フィダティさんは、異なる温度に加熱または冷却された同一の金属立方体を選別する任務を負ったのですが、温度に敏感な補綴物を使用することで成功率が大幅に向上しました。 実際、フィダーティ氏は、熱さや冷たさの感覚は、実際には自然の手よりも幻の手の方が強かったと報告しました。

最後に、研究チームは目隠しをしたフィダティが別の義手に触れているのか、それともイベリテの手に触れているのかを見分ける能力をテストした。 人間の手の暖かさのおかげで、フィダーティはそれをより頻繁に区別できるようになりましたが、彼の成功はまだ、怪我のない腕で識別する能力には及ばなかったのです。 著者らは、質感や柔らかさを含む他の入力がこの能力を向上させる可能性が高いと示唆しています。 この実験は、温度は重要ではあるものの、人間の接触の一連の感覚の一部にすぎず、できれば人間の手により忠実に近づける人工装具に組み込むことができることを示しています。

補綴物は長い道のりを歩んできました。 この装置は何千年も前から存在しており、美容と機能の両方の目的で使用され、さまざまな程度の成功を収めています。 ある古代エジプトの埋葬室からは、「カイロ・トゥ」と呼ばれる木と革で作られた女性の遺体が発見された。この義足は、3,000年前に彼女の足に丹念にフィットさせられ、芸術的に作られた義足だった。 紀元前 300 年頃、現在のイタリアのナポリ北部に住んでいた所有者のために、「カプア レッグ」が木から作られ、青銅で覆われました。 三十年戦争 (1618 年から 1648 年) の頃までに、人々は鉄の手を装着されるようになり、機能を提供するために、不完全ではあるものの、手足を曲げたり、指で物を掴むのを助けるために、ケーブル、バネ、その他の手段が使用されました。 。

現在、世界中で何千万人もの人が手足を切断されており、科学者や生物医学技術者はこれらの患者のために補綴物の改良を続けています。 切断患者の感覚を回復するプロジェクトのほとんどは体内にインプラントを使用するもので、これには利点もありますが、いくつかのハードルも生じます。 手術は侵襲的であり、そのプロセスとそれを可能にする高度なデバイスはどちらも高価です。 MiniTouch センサーの場合はそうではありません。MiniTouch センサーは、既存のプロテーゼに数時間で簡単に組み込むことができ、広く利用可能な消費者グレードのテクノロジーに依存しています。 「携帯電話が非常に安い理由は、その技術が大規模に複製できるためです。 これはプロセス全体の中で唯一のカスタム部分である当社のセンサーでもまったく同じです」とイベライト氏は言います。

この研究には関与していないピッツバーグ大学の生物医学工学者リー・フィッシャー氏は、人工装具に触覚を付加する取り組みは通常、圧力などの触覚に焦点を当てていると語る。 「電気刺激によって温度のような感覚が生じることはあまり一般的ではありませんが、これは非常に重要です。なぜなら、私たちが世界と対話する方法の多くはその温度感覚によって行われるからです」と彼は言います。

たとえば、金属やプラスチックなどの素材を区別できるのは、感触というよりは温度です。 水分を感知する特殊な皮膚受容体を持たない人間は、主に液体が皮膚から温度をどのように伝導するかによって、物体が濡れているかどうかを判断します。

しかし、温度の感知は義肢の性能を向上させるだけではありません。 「エンジニアとして、私たちは最初は純粋に機能的な観点から来ていました」と Shokur 氏は言います。 レンダのような証言はすぐに研究に別の側面を加えました。 「それはもう少し無形で測定するのが難しいですが、私たちは接触の社会的側面を研究しようとしています。」

フィッシャー教授のチームは最近、義足を装着した切断患者の欠損した足の感覚を回復させるために脊髄近くに電極インプラントを使用しましたが、接触には感情的な要素が強いと述べています。 「それは私たちが他の人々とどのように交流するかということの一部であり、私たちが自分の手足を自分のものとして認識する方法の一部でもあります」と彼は言います。 「これらは、誰かが身に着けている道具というよりも、体の一部のように感じられる義肢を実現するための方法です。」

イタリア、ボローニャのフランチェスカ・ロッシさんは、2023年の研究に参加し、失った手に温度の感触を感じたもう一人の切断患者であるが、その経験はすでに現実になり始めている。

「温度の変化を感じることは別のことであり、重要なこと…美しいことです」と彼女は言います。 「手足が戻っているので、もう幻覚は感じません。」