研究者たちは義肢装具患者の運動感覚を回復させている

バイオニックハンドがゆっくりと閉じる。細い金属の指がカチカチと音を立て、まるで見えないバトンを握っているかのように、緩い拳へと変化する。「OK、閉じた」と被験者は言う。

被験者はアマンダ・キッツさんです。2006年、フォードF350が彼女のメルセデス・ベンツのセダンに正面衝突しました。衝突でトラックのタイヤがシャーシから剥がれ、車軸がキッツさんの車に押し込まれ、腕が切断寸前になりました。「完全に切断されたわけではありませんでしたが、まるでミンチ肉のようでした」と彼女は言います。「もう救いようがありませんでした。それで外科医は、まるで木片を切るように、腕をほぼ完全に切断しました。」

10年以上経った今、彼女はクリーブランド・クリニック医療センターの白い壁に囲まれた部屋で、上半身を包み込む熱可塑性プラスチック製の義手ソケットを介してバイオニックハンドを操作している。ソケットは彼女の左腕の残骸、肩から数センチ下あたりまでを包み込んでいる。そこでは、かつて彼女の手と前腕（切断の痕跡）を支配していた神経が、今では彼女の上腕二頭筋と上腕三頭筋を支配している。ソケットはこれらの筋肉からの電気信号をコンピューター制御のモーター駆動型義手に伝え、彼女はそれを心で操作する。「手を閉じたい」と彼女が考えると、義手はそれに従う。

しかし、ここで印象的なのは、キットが手を操作できるという点ではない。近年、電動義手は劇的に進歩し、器用な動きを回復するためのより洗練された選択肢を提供している。

驚くべきことに、彼女は目隠しをされ、耳を覆うノイズキャンセリングヘッドホンを装着しているにもかかわらず、自分のバイオニックな手足が何をしているのかわかっている。キットは手の動きを感じ、空間における位置を感知することができ、それは彼女がこれまで経験したことのない体験だった。「手を閉じて、それが閉じていることを感じ、そしてそれが分かっている。それが素晴らしいんです」と彼女は言う。ロボットの拳が緩むと、彼女は右手でその動きを真似る。「開いて」と、ロボットの指 ― まるで自分の指のように感じた ― が完全に伸びきった時に彼女は言う。

神経生理学者は、自分の体の各部の動きや位置を認識することを運動感覚（キネステジア）と呼びます。（より一般的な用語は固有受容覚ですが、これは動きよりも位置に関する感覚を指します。）健常者が手を動かすと、感覚運動信号が脳に手がどこでどのように動いているかを伝えます。シャワー中に落ちてくるシャンプーボトルを掴んだり、左手で携帯電話を見つめながら右手でバックパックを肩に担いだりできるのは、運動感覚があるからです。この感覚は一般的に第六感とみなされており、触覚とは全く異なるものですが、複雑な運動課題においては、運動感覚は触覚と同等、あるいはそれ以上に重要です。

しかし今日では、最も洗練された義手でさえ、運動感覚のフィードバックを提供しません。「つまり、義手がどこにあるかを知る唯一の方法は、それを目で見ることです」と、クリーブランド・クリニックの神経科学者であり、（深呼吸して）感覚神経生理学者でもあるポール・マラスコ氏は言います。上肢切断者は単にドアを開けるわけではありません。ドアハンドルを目にするのです。義手がハンドルに手を伸ばすのを見ます。義手がハンドルを掴むのを見ます。ハンドルを回す。ハンドルを引く。そして、その繰り返しです。

しかし、サイエンス・トランスレーショナル・メディシン誌最新号で、マラスコ率いる研究者たちは、義肢を介して運動感覚フィードバックを模倣する神経インターフェースを報告しています。この技術は、キットさんのような上肢切断患者に感覚を回復させることに成功しました。この技術により、キットさんのような患者はロボットハンドの制御能力を向上させるだけでなく、その複雑な動き（例えば、目に見えない円筒に指を巻き付けるなど）を知覚できるようになります。「私たちは人間の知覚統合システムを利用したのです」とマラスコ氏は言います。

この方法は、神経生理学者が「振動誘発運動感覚錯覚」と呼ぶ不思議な現象を利用しています。70～115Hzの周波数で腱を振動させると、その腱に関連する関節が動いているように感じられます。この錯覚は複数の関節に影響を及ぼす可能性があり、腕が奇妙な形、あるいはあり得ない形に曲がっていると錯覚させるほど強力です。また、他の体の部位にも影響を及ぼす可能性があります。

ピノキオ錯視を例に挙げましょう。上腕二頭筋の腱に振動を与えながら鼻先をつまむと、肘関節が伸びて顔から手を離しているように感じられます。しかし、脳は分かりやすい説明を好むため、関節が伸びていると感じると、鼻も一緒に伸びているように感じるのです。「こうした錯覚は信じられないほど強力です」とマラスコ氏は言います。「現実感覚を覆してしまうほどです。」

マラスコ氏とその同僚は、バイオニック義肢を生物学的義肢と同じくらいリアルに感じさせることができるかどうかを知りたかった。

それを知るために、研究者たちはまず、6人の被験者の上腕二頭筋、上腕三頭筋、胸筋（以前は被験者の前腕につながっていた神経が再接続されていた部位）に振動を加え、失った手の動きを残った手で真似するように指示した。

次に起こった出来事は研究者たちを驚かせた。彼らは被験者が個々の指や関節の動きを感じるだろうと予想していた。「実際には、非常に相乗的な握力の形態が得られたのです」とマラスコ氏は言う。被験者の失われた手は、すべての指が協調して動く様々な姿勢（いわゆる「知覚」）をとった。マラスコ氏のチームは合計22の異なる知覚を記録したが、被験者間で最もよく保存されていたのは、前述の緩い握り（別名「シリンダー」グリップ）だった。他によく見られる知覚には、親指、中指、人差し指の先端が一体となった「三脚グリップ」や、親指と人差し指が触れ合う「細かいつまみ」グリップなどがあった。

「こうした錯覚が切断患者に影響を与える可能性があることを実証した人は誰もいませんでした」と、ピサにあるサンタナ高等学院バイオロボティクス研究所人工手領域責任者で、今回の研究には関与していない生物工学者のクリスチャン・チプリアーニ氏は語る。「もう一つ素晴らしいのは、この現象が腕の他の場所で再神経支配を受けた神経でも引き起こされる可能性があるとは、誰も知らなかったということです」と彼は付け加える。ましてや、これほど明確に、これほど明確な手の位置に現れるとは。

マラスコ氏は、被験者がなぜ失われた手が複雑な構成をとっていると認識したのかは解明していない。しかし、彼はある仮説を立てている。脳は、それぞれの知覚を一から構築するのではなく、手の無限の構成をより扱いやすい構成要素に分割する。そして、それらを実際の動きの感覚に合わせて微調整するのだ。グラスを掴む動作と位置を感知するために、脳は円筒形の握りの知覚を想起させるかもしれない。テーブルから小さなパンくずの山を持ち上げるときには、三脚形の握りの知覚を動員するかもしれない。「ここで私たちが見ているのは、本質的には構成要素のライブラリです」とマラスコ氏は言う。

しかし、図書館へのアクセスは十分ではありませんでした。患者の腕を振動させて失った手を動かすのは巧妙なトリックですが、治療効果はありません。真に役立つようにするには、研究者たちは手の動きの知覚と手を動かす意図を組み合わせる必要がありました。

これを実現するために、研究者たちは双方向のニューラル・マシン・インターフェースを開発した。既存の義肢と同様に、患者の神経再支配を受けた筋肉からの電気信号をバイオニックハンドに伝達することができる。研究者たちはこの一方向システムに、運動感覚のフィードバック信号を追加した。被験者の思考に反応して手が動くと、神経再支配部位に振動が起こり、運動感覚の錯覚が生み出される。

リアルタイムの錯覚フィードバックが被験者の意図と一致すると、数分以内に制御能力が向上しました。例えば、研究者がシリンダーグリップの信号を仮想義手の動きと連動させたところ、フィードバックによって患者は義手を見なくても、4分の1、半分、または4分の3の力でバイオニックハンドを制御できるようになりました。注目すべきことに、切断を受けた被験者は健常者と同様にこの課題を遂行しました。

次に、臨床応用を実証するために、研究者らは運動感覚フィードバックを義肢に組み込み、キット氏に装着した。

装着された義肢は、操作と身体化の境界を消し去り始めた。つまり、腕を操作することと自分の腕を操作することの区別がなくなったのだ。「この研究の最大の成果は、人に手の動きの感覚と、その動きに対する主体性を与えることができることを示したことです」と、シャーリー・ライアン・アビリティラボのバイオニック医学センター名誉所長で、この研究には関与していないトッド・クイケン氏は語る。「たとえそれが単なる開閉動作であっても、何もないよりはずっとましです。そしてこの研究は、人に何かを与えることができることを示しています。」

より繊細な信号を収集・伝達できるシステムの開発が課題だとクイケン氏は言う。「すべてが同じ場所にあるため、設置スペースの問題があります。信号を記録しようとしているのと同じ皮膚にフィードバックを与えようとしているのです」とクイケン氏は言う。「不可能ではありませんが、簡単ではありません。」幸いなことに、研究者たちはすでに信号収集のための埋め込み電極の実験を行っていると彼は言う。「そうすれば、マラスコ氏が現在研究しているもののためのスペースがいくらか確保できるかもしれません。」

キット氏によると、閉ループシステムの操作は大きな変革だったという。「ご存知の通り、私は長年パターン認識を研究し、義手の操作を訓練してきました。それは素晴らしい経験でした」と彼女は言う。「ついに意識するだけで腕を動かせるようになった時は、本当に感動しました。でも、これは全く別のレベルに進むでしょう。」

義肢の未来