微調整されたブレインコンピューターインターフェイスにより、義足がより現実的に感じられます

おそらく、目を見ずに手だけで驚くほど多くのタスクを完了することができます。しかし、触覚を妨げる手袋を着用していると、これらの単純な作業の多くがイライラしてしまいます。固有受容（自分の体の相対的な位置や動きを感知する能力）を奪うと、物を壊したり怪我をしたりする可能性さえあります。

シカゴ大学の神経科学者チャールズ・グリーンスポン博士は、「ほとんどの人は、タイピングしたり、歩いたり、薄っぺらいコップの水を拾ったりするなど、視覚ではなく触覚に頼っていることがどれほど多いか気づいていない」と語る。 「感覚がなければ、何かをするときに常に手元を監視しなければならず、それでも物をこぼしたり、押しつぶしたり、落としたりする危険があります。」

グリーンスポンと彼の研究協力者は最近論文を発表しました。 自然生物医工学 そして 科学 この問題に正確に対処するために設計された技術に関する大きな進歩を記録しています。脳に直接、注意深くタイミングを合わせた電気刺激を与え、触覚フィードバックを再現して微妙な「感覚」を与えることができます。 義手。

感覚を回復する科学

これらの新しい研究は、シカゴ大学、ピッツバーグ大学、ノースウェスタン大学、ケース ウェスタン リザーブ大学、ブラックロック ニューロテックの科学者と技術者の長年にわたる協力に基づいています。彼らは協力して、重大な四肢機能を失った人々の運動制御と感覚の両方を回復することを目的としたブレイン・コンピューター・インターフェース（BCI）とロボット義手を設計、構築、実装、改良しています。

シカゴ大学側では、2023年に予期せず亡くなるまで、神経科学者のスリマン・ベンズマイア博士が研究を主導していた。

人工感覚に対する研究者のアプローチには、手の動きと感覚を担当する脳の部分に小さな電極アレイを配置することが含まれます。一方では、参加者は ロボットアーム 単に動きについて考えるだけで、その一方で、ロボットの手足にあるセンサーが、接触に特化した脳の部分に皮質内微小刺激 (ICMS) と呼ばれる電気活動のパルスを引き起こすことができます。

グリーンスポーン氏の説明によると、約10年間、タッチセンターへのこの刺激は、手のさまざまな場所に単純な接触感覚しか提供できなかったという。

「何かに触れているという感覚を呼び起こすことはできましたが、それはほとんどが単なるオン/オフ信号であり、多くの場合、それは非常に弱く、手のどこに接触が起こったのかを知るのは困難でした。」と彼は言いました。

新たに発表された結果は、これらの限界を乗り越える上で重要なマイルストーンとなる。

人工接触の理解が進む

で 最初の研究、で発表されました 自然生物医工学グリーンスポンと彼の同僚は、電気的に誘発される接触感覚が安定し、正確に位置特定され、日常業務に役立つのに十分な強度を確保することに重点を置きました。

研究者らは、参加者のタッチセンターの個々の電極に短いパルスを送り、各感覚をどこでどのくらい強く感じたかを報告させることで、手の特定の部分に対応する脳領域の詳細な「マップ」を作成した。

テストの結果、近接して配置された 2 つの電極を一緒に刺激すると、参加者はより強く明確なタッチを感じ、手の正しい部分を見つけて圧力を測定する能力が向上することが明らかになりました。

研究者らはまた、同じ電極が特定の場所に対応する感覚を一貫して生み出すことを確認するための徹底的なテストも実施しました。

「初日に電極を刺激し、参加者が親指にそれを感じた場合、100日目、1,000日目、さらには何年も経っても同じ電極をテストすることができ、彼らは依然としてほぼ同じ場所でそれを感じています」とGreenspon氏は述べた。 、この論文の筆頭著者でした。

実用的な観点から見ると、どの臨床機器も、患者が日常生活で信頼できる程度に安定している必要があります。電極が「タッチ位置」を継続的に移動したり、一貫性のない感覚を生じたりすると、イライラするため、頻繁に再調整が必要になります。

対照的に、この研究で明らかになった長期的な一貫性により、義足ユーザーは義足に対する自信を持つことができる可能性があります。 モーター制御 自然な手足と同じように、触覚も備わっています。

動きや形の感覚を加える

の 補完的な 科学 紙 はさらに一歩進んで、人工的なタッチをさらに没入型かつ直感的に実現しました。このプロジェクトは、筆頭著者のジャコモ ヴァッレ博士によって率いられました。ジャコモ ヴァッレ博士は、シカゴ大学の元博士研究員で、現在はスウェーデンのチャルマーズ工科大学でバイオニクス研究を続けています。

「脳内で隣り合った2つの電極は、1対1の対応で手をきれいに小さなパッチに「並べる」ような感覚を生み出すのではなく、感覚の位置が重なっているのです」と、この論文の上級著者であるグリーンスポン氏は説明した。ベンズマイアとの論文。

研究者らは、この重なり合う性質を利用して、ユーザーに物体の境界や皮膚に沿って滑る何かの動きを感じさせる感覚を作り出すことができるかどうかをテストすることにしました。 「タッチゾーン」が重なる電極のペアまたはクラスターを特定した後、科学者らはそれらを慎重に調整されたパターンで作動させ、感覚マップ全体で進行する感覚を生成しました。

参加者は、刺激が細かく個別のステップで与えられたにもかかわらず、指の上を滑らかに通過する穏やかな感触を感じたと述べました。科学者らは、この結果は、知覚のギャップを「埋める」ことで感覚入力をつなぎ合わせ、一貫した感動的な経験として解釈する脳の驚くべき能力によるものだと考えている。

電極を順次活性化するというアプローチにより、複雑な触覚形状を区別し、触れた物体の変化に反応する参加者の能力も大幅に向上しました。彼らは、指先で電気的に「なぞられた」アルファベットの文字を識別することもできたし、ステアリングホイールが手から滑り始めたときにバイオニックアームを使ってハンドルを安定させることもできた。

これらの進歩は、バイオニックフィードバックを自然な接触の正確で複雑な適応能力に近づけるのに役立ち、日常の物体の自信を持った取り扱いや変化する刺激への反応を可能にする義肢への道を開きます。

神経人工装具の未来

研究者らは、電極の設計と手術方法が改良され続けるにつれて、手の全体の範囲がさらに細かくなり、より本物に近いフィードバックが可能になることを期待している。

「私たちは、これら 2 つの研究の結果を当社のロボット システムに統合したいと考えています。 示されている 単純な刺激戦略であっても、人々が脳でロボットアームを制御する能力を向上させることができる」と、共著者で理学療法およびリハビリテーションの准教授であり、ピッツバーグ大学で刺激研究を主導するロバート・ゴーント博士は述べた。

グリーンスポン氏は、この活動の背後にある動機は、四肢の喪失や麻痺を抱えて生きる人々の自立と生活の質を高めることであると強調した。

「私たちは皆、怪我をして手足を失った人々のことを気にかけています。この研究は彼らのためのものです」と彼は語った。 「これは私たちが人々の接触を回復する方法です。これは修復ニューロテクノロジーの最前線であり、私たちは脳の他の領域へのアプローチを拡大するために取り組んでいます。」

このアプローチは、他の種類の感覚喪失を持つ人々にも有望です。実際、このグループは、シカゴの外科医や産科医とも協力して、 バイオニックブレストプロジェクトは、乳房切除後に触覚を回復できる埋め込み型デバイスの開発を目指しています。

多くの課題は残っていますが、これらの最新の研究は、タッチを回復する道がより明確になりつつあることを示す証拠を提供しています。新しい発見が得られるたびに、研究者たちは義体の部分が単なる機能的なツールではなく、世界を体験する手段となる未来に近づいています。