画期的な手術により、どのようにして脳がバイオニック脚を制御できるようになるのか

従来の切断の問題の 1 つは、骨との結合がなくなった状態でアゴニストとアンタゴニストが残ることです。本質的に筋肉のコミュニケーションや調整の手段であったものが失われています。しかし、カーティとヘルは、当時ヘルの研究室の大学院生だったシュリヤ・スリニバサンとタイラー・クライツと緊密に協力し、これらの主動筋と拮抗筋を機能的に再接続する方法を構想し始めた。

従来の切断の後、切断された筋肉からの神経信号は以前の約 3% にすぎず、神経制御可能なプロテーゼと効果的に通信するには不十分です。しかし、主動筋と拮抗筋の間の接続が回復できれば、神経信号が強化され、明確になる可能性があります。手足は、自分がどこにいるのか、何をしているのかを脳に知らせ続けることができます。その結果、脳も自然な方法で筋肉をうまく制御できるようになるかもしれません。言い換えれば、人の義肢を幻肢と厳密に一致させることができる可能性があります。

切断に対するこの新しいアプローチには、長年の研究が費やされました。ある時点で、Clites 氏は約 1 年を費やして、主動筋と拮抗筋を腱で縫い合わせ、骨に取り付けられたチタン製プーリーに沿って前後にスライドできる方法を開発しました。 Clites 氏は、「i をすべて点線にし、t をすべてバツにしたのですが、まったく機能しませんでした」と語った。実験動物の手術で、筋肉に傷がつき、動けなくなってしまいました。 「まず、そのコンセプトは本当に良いものなのか、ということを自問する必要がありました。」クリテスさんが教えてくれた。チタンは体にもともと備わっていなかったものであり、この失敗の原因である可能性が高いと思われた。

多くの議論を経て、ハー氏、カーティ氏、スリニバサン氏、クリテス氏は、従来の切断では基本的に廃棄される足首関節の一部から滑車を作る設計を採用した。このアイデアは理論的には良さそうだったので、チームはそれを形成外科カンファレンスで発表しました。 「外科医からの主なフィードバックは、『とても素晴らしいアイデアだけど、傷がついて動かなくなる』というものだった」とクリテス氏は振り返る。

研究チームは人間の死体と動物モデルでこの手術を試し、効果があるかもしれないと考えた。 「しかし、ネズミに自分の気持ちを語ってもらうことはできません」とカーティ氏は言う。動きは自然でしたか？動物は自分の幻肢や義足をどの程度感知できたでしょうか?義足は自分の思い通りに動いたのか？これらの疑問に答えるために、研究者らは人間、つまり健康ではあるが切断が必要で、新しい処置を受ける意欲のある人間を必要とした。カーティが言ったように、彼らは「最初の宇宙飛行士」を探していたのです。

ヘルの事故から数年間、彼はルームメイトのユーイングと一緒に何度も登山を行った。彼らが約20歳のとき、ユーイングの左靴には「人生最悪」と書かれていた。右側には「そしてあなたは死ぬ」があった。ある登りの途中、岩壁を登る途中で、ヘルは彼に尋ねた。「人生は本当につまらないものですか、ジム？」ユーイングはやがて結婚し、子供をもうけ、機械技師になりましたが、登山は続けました。 2014年のある日、彼は娘と一緒にケイマン諸島の石灰岩の崖をよじ登っていた。彼は滑って、転んで、何度か止まり、そしてまた転んで、今度は約50フィート下まで落ちました。どういうわけか、彼は生き残った。

ユーイングさんの左足は、1年経った今でも、少しでも力を入れると耐え難い痛みを引き起こすほどの重傷を負っていた。 「エンジニアとして、私は足首を再建するためにあらゆる種類のことを研究していました」と彼は言いました。しかし、再び登ることができるものは何も見つかりませんでした。歩くのも大変でした。 「私はとても落ち込んでいました」と彼は言いました。彼は、ハーがバイオメカトロニクス研究室を率いていることを知っていたので、何か新しいことや実験的なことについて尋ねるために、また、切断された生活がどのようなものかを聞くために、再び連絡を取りました。彼は、Herr 氏が「まあ、おかしな質問ですが、私たちはこの新しい切断プロトコルを開発したところです。」と言ったのを覚えています。ハーは彼をカーティに案内し、数か月後、ユーイングは切断を決意した。彼は「作動薬-拮抗薬筋神経インターフェース」（略してAMI）を備えた最初の人物となる。

人々が義足を作り、使用し始めた正確な時期は不明です。ポプラで作られ、先端に馬の蹄が取り付けられた義足が、現在の中国のシルクロード沿いにある2000年前の墓で発見された。ローマの将軍は、盾を持てるようにするために、右手の代わりに鉄を受け取ったと言われています。 16 世紀のフランス軍の理髪外科医であるアンブロワーズ パレは、膝関節を備えた主に金属製の脚を考案しました。これは、人が歩いているときに曲がり、立っているときにロックすることができます。パレはまた、皮膚や筋肉を温存するなど、切断に対する革新的な外科的アプローチにも取り組みました。

長年にわたり、プロテーゼは創造的な方法で再考されてきました。それでも、長い間、切断が必要な兵士にとっての主な困難は、手術後長く生き残ることでした。南北戦争中、感染症によって大砲よりも多くの兵士が亡くなったとき、戦場の外科医によって手足を切り落とされるのではなく、撃ち落とされた兵士は幸運だったと言われています。現場の外科医はきれいな刃を使って作業する可能性は低いです。 （当時の広告では、金属を含まず、磨かれた象牙と加硫ゴムで作られたソケットを備えたタイプの足首義足が宣伝されていました。「非常に軽い。他のものよりもはるかに軽い。」）切断を必要とする人々にとって、治療における最大の進歩はおそらく、優れたプロテーゼではなく、より近代的な外科的実践であった。

その後数世紀にわたり、切断は医学の分野で無視されたままでした。 「私が医学生だったとき、外科チームの最年少メンバーに切断手術が与えられることもありました。それは、どれだけ早く手足を切断できるかという競争でした」と理学療法学科の理学療法士、デビッド・クランデル氏は言う。ハーバード大学医学部のリハビリテーション担当者が私に語った。今日に至るまで、切断手術を行う外科医は回復後の数年間に患者に何が起こるかをほとんど理解していません。

「問題の一部は、切断が失敗であると考えられていたことです」とカーティは私に語った。 「考えたのは、四肢を救出するか、四肢の救出に失敗するかのどちらかだということです。」彼はユーイングの事例を持ち出して、そのアプローチがどのように誤った方向に導かれる可能性があるかを実証した。 「彼は保存された足を持っていましたが、常に痛みを感じています」とカーティさんは語った。 「彼は登山をやめました。彼にとって最も重要なことをすべてやめたのです。」ユーイングにとって、足を残すよりも切断して義足を装着する方が回復効果が高い可能性がある。

カーティと彼の同僚は、AMI の切断は安全であり、ユーイングは従来のプロテーゼを問題なく使用できるだろうと確信していました。 「それでも、初めて何かをするときは、何が見つかるか考えているので、ずっとびっくりしています」とカーティ氏は言う。彼らは、手術によって筋肉がより自由に動けるようになるかどうか確信が持てませんでした。これはプロテーゼへの強力な神経接続に不可欠です。

後にユーイング切断術として知られることになる手術の説明によると、外科医はメスを使ってすねを「階段状の切開」します。手足の該当部分は「失血」しています。皮弁を剥がして脚の筋肉を露出させます。伏在静脈とその近くの神経を隔離するために注意が必要であるとこの報告書は述べています。これは、繊細かつ凄惨でありながら革命的な外科手術の始まりにすぎません。必要な道具の 1 つは骨鋸です。

2016年7月19日、ユーイングさんは手術室で5時間以上を過ごした。 「私にとって物事はかなりうまくいきました」と彼は思い返した。手術から 2 週間後、プロテーゼを装着できるほど回復する前に、彼は地元のクライミング ジムに通いました。 「とても解放された気分になったのを覚えています」と彼は語った。 「片足だけ使っていましたが、痛みはなくなりました。その壁をダイナミックに乗り越えることができました。」

数週間後、ユーイング氏はMITの研究室を訪れた。研究チームが最初に知りたかったのは、切断された手足のつながっている主動筋と拮抗筋が動くかどうかだった。超音波プローブは、それが可能であることを示しました。 「科学者にとって、それはクリスマスの朝です」と、現在 UCLA 工学部助教授であるクライテス氏は語った。 「それはすごい驚きでした。」研究チームはその後、筋肉から電気信号を取得し、その信号の強度を測定し、それを使用して義足の動きを誘導することに取り組みました。

ユーイング切断術は現在、ブリガム・アンド・ウィメンズ病院の標準治療となっており、多くの病院で行われています。カーティは他の外科医にその方法を頻繁に教えており、時には Zoom を使って教えることもあります。後にユーイング氏が研究室を訪れた際の映像には、研究チームが義足を彼の足に直接接続した様子が初めて映っていた。 「膝を通して感じるのは本当に素晴らしい」と彼はビデオの中で語った。 「そこに足があるような気がする。」最初はゆっくりとプロテーゼを動かします。その後、彼は次のように述べています。「すべてがつながってから文字通り数分以内に、それは私の一部になり始めます。」私たちは、彼があぐらをかいて座り、その上に義足を置き、何度も足を曲げたり向けたりしてそわそわしているのを見ました。カーティはその瞬間を驚くべきものとして覚えています。 「私は言いました、『ジム、自分がそんなことをしているのは知っていますか？』 」とカーティは思い出した。ユーイングは「いいえ、ただぶらぶらしていただけです」と答えた。

私たちの身体の多くの不気味な優雅さの 1 つは、私たちがあまり考えずに歩くことができるということです。ある筋肉の収縮と別の筋肉の弛緩を調整するために、脚に関するユーザーガイドを学ぶ必要はありません。その労働のほとんどすべては無意識のうちに行われます。私は時々、意識を、現場の労働者が必要な機械をすべて操作している間、空想に時間を費やしている無知な工場長のようなものだと考えます。時々、傲慢な上司が驚いて行動を開始し、「その水たまりを避けてください！」のようなメッセージを送ります。または「もっと早く走れ！」しかし、注文を遂行するために必要な詳細な調整をすべて知っているのは作業員だけです。 「今でも、私たちは歩くということを完全には理解していません。それは人々を驚かせています」とハー氏は私に語った。彼の研究室では、歩く人々の撮影、評価、スキャン、数学的モデリングに何千時間も費やしてきました。

最も洗練されたロボット義足でさえ、人間の移動運動の大まかな近似にすぎません。彼らが「知っている」のは、私たちがどのように歩いたり、走ったり、ジャンプしたりするかについて現在の科学が知っていることだけであり、かなりの部分が省略されています。 1 秒間に何千もの計算を行うマイクロプロセッサが搭載されており、ふくらはぎの筋肉がない場合でも、爆発的なエネルギーを伝達することができ、人は適切な量のエネルギーで義足のかかとを持ち上げることができます。しかし、たとえば平坦でない地面では、人が真に生体模倣的な方法で動くことはできません。これは、ほとんど理解できないほど複雑なテクノロジーについて、実際には子供よりも知識が少ないことを意味します。

クライテスが博士号を取得していた頃。ヘルの研究室の学生だった彼は、ユーイングと緊密に協力して、義足をユーイングの動きの認識に「調整」しました。心臓の外側の筋肉の心電図に似た筋電図検査 (EMG) 用のセンサーが断端にテープで貼り付けられ、脚の筋肉の電気活動を検出しました。 （研究チームは、小さな金属球を埋め込んだ筋肉の動きを検出するアプローチも研究している。）ユーイングに足を軽く曲げるように指示したが、義足が激しく曲がったとしても、システムは調整できるだろう。 「おそらく、ここでの哲学的概念の 1 つは、切断がうまく行われ、インターフェースがうまくできていれば、考えられる最高の補綴装置は本当に愚かなものであるということです」と Clites 氏は私に語った。 「それはあまり考える必要のないものです。 。 。なぜなら、人の脳と脊髄がすべての思考を行っているからです。」 Herr 氏はこれを次のように明確に説明しました。「ロボットには実際のアルゴリズムはありません。それはすべて生物学的な計算によるものです。その人がコントロールできるので、それは素晴らしいことです。」