手の可動性を回復する新しい方法 ― 通電パッチを使用

麻痺を克服する物語は、たいてい足から始まります。スーパーマンは再び歩くことを誓い、メロドラマの登場人物は車椅子から降りてきます。「社会は障害のうち歩行という側面だけに注目する傾向があると思います」と語るのは、脊髄損傷や障害を持つ人々の非営利支援団体、ユナイテッド・スパイン・アソシエーションの雑誌編集者、イアン・ルーダー氏です。しかし、23年前の負傷以降車椅子を使用しているルーダー氏は、手の機能をほんの少しでも回復させるだけでも、歩行よりも生活の質が向上すると言います。「親指で物をつまめるのとつまめることができないのとの違いは、ほとんどの人には理解しにくいものです」とルーダー氏は言います。「そうなれば、まったく新しいレベルの自立が実現するでしょう。」

そう感じているのはルーダー氏だけではない。四肢麻痺患者を対象とした調査では、手、膀胱、体幹、そして性機能の回復を、歩行よりも優先していることがわかった。しかし、義肢ではなく、自身の上肢の運動機能を回復させる効果的で利用しやすい技術は、これまでほとんど存在しなかった。しかし今月初め、ワシントン大学リハビリテーション医学部と電気・コンピュータ工学部の研究者らは、首に貼ったパッチを通して電流を流すことで、6人の患者の手の機能の一部を回復させたと報告した。効果はすぐに現れ、試験後も数ヶ月間、継続的な刺激なしに持続した。しかも、侵襲的な手術は一切必要なかった。

「本当に興奮しています」と、この研究には関わっていないルーダー氏は言う。「このような非侵襲的でシンプルなアプローチで機能を回復できる可能性は非常に大きいのです。」

下半身、特に四肢は、腕や手の動きが運動ニューロン、筋肉、関節のより複雑な協調動作であることから、研究の焦点がより絞られています。研究者たちは、脳コンピューターインターフェース（BCI）や義肢から神経や筋肉への電気刺激まで、様々な技術を用いて、その機能を代替または回復させようと試みてきました。埋め込み型BCIは有望視されていますが、脳活動を読み取り、それを使用可能なコマンドに変換するチップを埋め込む手術が必要であり、長期間装着する必要があるため、コストと感染リスクが伴います。ワシントン大学チェット・モリッツ研究所のリハビリテーションおよび神経科学研究者であり、本研究の筆頭著者であるファトマ・イナニチ氏は、より手軽な治療法の開発に取り組んでいます。「手術の代わりに、皮膚に電極を貼り、装置の電源を入れて脊髄を刺激することができます」と彼女は言います。

IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineeringで発表されたイナニチの研究は、脊髄に電流を流すと可動性が向上するという以前の証拠に基づいています。彼女のチームの試験では、その刺激と参加者の手の身体リハビリテーショントレーニングを組み合わせることで、トレーニングだけでは達成できない活動を達成できるようになるかどうかをテストしました。脊髄損傷で麻痺した 6 人がこの試験に参加しました。それぞれの能力は異なり、手の機能がほとんどない人から 50% 以上ある人までさまざまでした。1 か月の間、彼らは毎週、パーソナルコーチと一緒にビーズをつまんだり、ブロックを積んだり、結び目を作ったりしました。しかし、リハビリで得られた成果は限られていました。「これらのことはすべて、私にとってはイライラするほど困難でした」と、参加者の 1 人であるワシントンの教師、ジェシーオーウェンは言います。「あまり進歩しませんでした。」

翌月、イナニチ氏とチームは、被験者の首の後ろ、首輪のすぐ上に、2枚の柔軟な円形ハイドロゲル電極を貼り付けた。それぞれの電極は25セント硬貨ほどの平らさと幅を持ち、ずんぐりとした古い携帯電話ほどの大きさの刺激装置に接続されていた。

義肢や脳チップの埋め込みに比べると、神経刺激の仕組みは単純です。脊髄損傷により、脳と身体の伝達はかすかな音にまで減衰します。脳は腕や手の神経に動作の合図を送りますが、そのインパルスは減衰するため、動作を活性化させるには不十分です。しかし、重症の場合でも、この電気的クロストークはいくらか残存します。イナニチ氏の首用パッチの目的は、音量を上げて脳からの微弱な信号を増幅し、その閾値を超えることです。刺激が直接筋肉を動かすわけではありませんが、「後根」と呼ばれる脊髄神経から伸びる繊維に強い電流を流すことで、随意運動を可能にできるのではないかと研究チームは仮説を立てました。

しかし、脊椎に届くほど強力でありながら痛みを感じさせない交流電流を皮膚に流す秘訣は、適切な重なり合う周波数、つまり搬送波に電流を偽装することだ。60ヘルツの壁のコンセントに流れるような低周波では、10ミリアンペアの電流が皮膚内の痛みを伝える神経を刺激し、痛みとして感じさせる。しかし、10キロヘルツでは、電気はこれらの神経に気づかれることなく通り抜ける。イナニチ氏はタブレットを使って各刺激装置の電流を制御し、非侵襲性を維持したまま120ミリアンペアまで上げられることを発見した。「ほとんどの人は容易に耐えられます」とイナニチ氏は言う。「ブーンという音やチクチクする感覚のようなものです」（治験では、電流レベルは40～90ミリアンペアに抑えられた）。

研究者がボランティアに電気配線を終えると、参加者は手の活動を再開しました。ある参加者は、脊髄のうずきがすぐに効果を発揮しました。彼は人差し指と親指でピンポン玉を挟み、バケツに落とすことができました。怪我以来初めて指を動かすことができたのです。「最初のセッションですぐに反応が出たのは本当に予想外でした」とイナニチ氏は言います。「感動しました」。

オーウェンを含む他の選手たちは、ゆっくりとではあったが、目に見えて上達した。「僕にとっては電光石火のようだったけど、2週間目にはもっと積めるようになった」とオーウェンは言う。「速くも、素晴らしいわけでもなかった。でも、ずいぶん上達したよ。」

4カ月の訓練（刺激を加えた2カ月を含む）の後、参加者全員のつまむ力が2倍以上に増加した。握る力が2倍になった人も数人いた。イナニチ氏によると、補助器具なしで運転できるほど器用さを取り戻した人が1人いた。カテーテルをうまく扱い、自力で挿入できるようになった人もいた。オーウェン氏は絵を描いてみることにした。実験開始時のことを彼女はこう振り返る。「『筆と絵の具はなんとか持てるし、やってみようかな』と思ったんです」。そこで彼女は、犬の肖像画の塗り絵キットを注文した。「少し難しくて、あまりうまくできたとは思いませんが、それでもとても感動しています」と彼女は言う。

ビデオ: ワシントン大学

それでも、それを研究室に持ち込んだ時は、「本当に感動的な瞬間でした」とイナニチ氏は言う。「人々の健康と生活の質に少しでも貢献できれば、本当にやりがいを感じます。」

なぜ効果があったのか？イナニチ氏は、デバイスによってより多くの動きが可能になり、それがリハビリを容易にし、さらにより多くの動きが可能になる、というサイクルが繰り返されたためだと考えている。活動が再開したことでニューロンはより強固な相互接続を構築しようとし、神経可塑性が示された。「動きを繰り返し練習することで、活性化された神経構造はより強くなります」とイナニチ氏は言う。「それらは互いにより良くつながります。そのため、しばらくすると、もはや外部からの刺激を必要としなくなります。」

イニャニチ氏のチームは、リハビリによって失われた機能がより永続的に回復することを期待し、最後のトレーニングセッション後3～6ヶ月間、参加者の可動性を追跡調査した。その結果、参加者は刺激を与えなくても、苦労して獲得した機能の一部を最大6ヶ月間維持できたことが報告された。

「おそらくそれがこの研究の最もエキサイティングな部分でしょう」と、メイヨー・クリニック神経外科のシニアエンジニアで、今回の研究には関わっていないピーター・グラーン氏は語る。グラーン氏は2005年の水泳事故で第5椎骨を損傷し、四肢麻痺となった。「この機能の一部を回復させる可能性のある治療法があることは、この分野の研究者である私にとっても、個人的にも非常に興味深いことです」と彼は語る。

ジェニファー・コリンジャー氏はピッツバーグ大学の生物医学エンジニアで、麻痺のある人のための移動技術を開発し、研究の指針となる調査を実施してきました。彼女は、イナニチ氏の研究結果は説得力があり、持続的な改善は心強いと述べています。また、この分野の研究者は、麻痺のある人はより扱いにくい技術を好むことを認識しており、BCIと神経刺激療法はどちらもその点でまだ改善の余地があると指摘しています。「私たちは、できるだけ使いやすく、人目につかないようにしたいと考えています」と彼女は言います。「しかし、最良のシナリオは、人々が日常的に装着したり調整したりする必要のない、怪我をする前と全く同じ状態に戻れるようになることです。」

それぞれの新しいアプローチには長所と短所がある。四肢麻痺患者のコミュニティは多様であるため、必ずしもすべての人に最適なデバイスが一つだけあるわけではない。BCIのような外科的に埋め込まれる電極が、費用と感染リスクに見合う価値があるかどうかについては、多くの意見が分かれているとルーダー氏は言う。

「首の後ろに電極をいくつか貼り付けるだけで、他の方法では不可能と思われる改善が得られるという事実は、非常に興味深く、間違いなく刺激的なことです。なぜなら、非常に簡単に実行でき、将来的に新たな研究につながると確信しているからです」と、ピッツバーグ大学でBCI、義肢、刺激技術を開発する神経エンジニア、ロバート・ゴーント氏は語る。しかし、彼は今回の研究のサンプル数が少ないため、平均的な改善を定量化する計算が複雑になっていると指摘する。機能障害がほとんどない状態からスタートした人にとっては、機能障害が部分的にしかない状態よりも、小さな改善の方が大きな意味を持つ。また、脊髄損傷の種類は多岐にわたるため、6人を対象とした試験では全ての人の状況を反映した結果が得られるわけではない。「さらなる研究がなければ、脊髄損傷のある特定の人がこの種の治療を受けることでどれだけの改善が得られるか、どれだけの恩恵を受けるかを予測するのは非常に困難でしょう」と彼は言う。

脊髄損傷は麻痺の唯一の原因ではありません。脳卒中、感染症、多発性硬化症はそれぞれ異なる方法で脳と体のコミュニケーションを遮断するため、脊髄への刺激を増強しても、それぞれ異なる反応を示す可能性があります。イナニチ氏は、チームの今後の研究はより多くの被験者と様々な基礎疾患を対象に行うと述べています。最終的な目標は、このデバイスの長期的な安全性、持続的な改善につながるかどうかを検証し、より持ち運びやすくすることです。現在、このデバイスはワイヤーとポケットサイズの刺激装置を備えており、タブレットで操作する必要があります。イナニチ氏は、将来的にはより小型の刺激装置とスマートフォンアプリを活用する技術を構想しています。

イナニチ氏は、運動機能の回復には依然として多くの謎が残されていると指摘する。例えば、6人のボランティアのうちの1人が、驚くべき結果を示した。12年前に脊髄を損傷した後、この男性の心拍数は毎分40回まで低下することがよくあり、めまいがして失神しそうになった。しかし、刺激療法開始から4日目、彼の心拍数は毎分60回と、より正常な状態へと徐々に上昇し始めた。これは手の動きではなく、不随意運動への影響だった。「私たちは予想していませんでした」とイナニチ氏は語る。論文の中で、彼女のチームはそれがどのように起こったのか推測することしかできなかった。

ゴーント氏は、身体トレーニングと脊髄への電気刺激を組み合わせることについて、「効果があるという確かな証拠があります」と語る。「しかし、こうした治療法の多くは、その効果をまだよく分かっていないのです」

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