この男性は脳コンピューターインターフェースの装着記録を樹立した

ネイサン・コープランドは自身をサイボーグだと考えている。36歳の彼は、脳コンピューターインターフェース（BCI）を装着して7年3ヶ月以上を生きてきた。今日（8月17日）時点で、この種のインプラントを装着した人の中で最長記録となった。鉛筆の消しゴムほどの大きさの4つの電極アレイが、彼の神経インパルスを外部機器の制御を可能にするコマンドに変換している。コンピューター、ビデオゲーム、そして思考だけで動かすロボットアームなどだ。

2004年の自動車事故でコープランドは胸から下が麻痺し、手足を動かすことも感覚も失った。2014年、彼はピッツバーグ大学で行われた、重度の脊髄損傷患者を対象とした研究に参加した。脳コンピューターインターフェース（BCI）によって、失われた機能の一部を回復できるかどうかを調べるためだ。脳手術が必要で、しかもこの装置がどれくらいの期間使えるか誰も分からなかったにもかかわらず、彼はためらうことなく参加を決めた。「研究を始めたとき、『おそらく5年は持つでしょう』と言われました。しかも、その5年というのはサルのデータに基づいたもので、人間がそれを成し遂げたことはこれまでなかったのです」と彼は言う。

コープランド氏のインプラントが今もなお機能し、重大な副作用や合併症も引き起こしていないことは、この分野にとって明るい兆しだ。1960年代から開発が進められているものの、まだ実験段階にあるこのデバイスが、重度の障害を持つ患者への実用化に近づきつつあることを示している。「実用化の瀬戸際にあるように感じます」と、ミシガン大学ダイレクト・ブレイン・インターフェース研究所の所長で、ピッツバーグ大学の研究には関わっていないジェーン・ハギンズ氏は語る。

しかし、インプラントアレイの長期的な耐久性については依然として疑問が残る。時間の経過とともに性能がどの程度低下するのか、そしてアップグレードできるのかどうかだ。「何年も機能回復していたのに、また機能を失うとなると、本当に気が狂いそうです。メンテナンスが必要になる可能性のあるインプラントデバイスでは、常にそれが懸念事項です」とハギンズ氏は言う。

コープランド氏は2015年に4つのアレイを外科手術で設置しました。2つは運動機能を制御する脳の部位に、残りの2つは感覚情報の処理を担う領域に設置されました。ユタアレイと呼ばれるこれらのアレイは硬いシリコン製で、ヘアブラシの毛のような形をしています。標準的なアレイは、長さ約1ミリメートルの100本の小さな針が並んだ正方格子状の構造で、導電性金属でコーティングされています。ニューロンは互いに通信する際に電界を発生させるため、科学者たちはこれらのアレイを用いて、数百個の近傍ニューロンの活動を捕捉し記録することができます。

脳コンピューターインターフェースを構築するには、研究者たちは神経信号をデジタルコマンドに変換し、装着者が義肢やコンピューターを操作できるようにする必要があります。コープランド氏が使用するシステムは、埋め込まれたアレイ、頭部のニッケル硬貨大の台座から神経信号を増幅する外部装置まで伸びるケーブル、そしてそれらの信号を解読するソフトウェアを実行するコンピューターで構成されています。

リチャード・ノーマンは1980年代、ユタ大学のバイオエンジニアリング教授として、視力回復の方法を探る中でユタアレイを初めて考案しました。以来、このアレイは脳コンピューターインターフェース研究のゴールドスタンダードとなっています。「この分野全体はユタアレイの上に築かれています」と、テキサス州に拠点を置くBCI企業パラドロミクスのCEO、マット・アングルは述べています。「80年代と90年代に設計されたデバイスをこれほど長く開発してきたという事実は、このデバイスがいかに時代を先取りしていたかを物語っています。」

2004年、マット・ネーグル氏はユタアレイを埋め込まれた最初の麻痺患者となりました。これにより、彼はコンピューターのカーソルを動かしたり、テレビを操作したり、メールをチェックしたり、義手を開閉したりできるようになりました。ネーグル氏のインプラントは、参加していた研究のプロトコルに従い、1年後に除去されました。現在、世界中で30人以上の研究参加者がインプラント型BCIを装着しています。イアン・バークハート氏は、2021年に研究終了に伴い除去されるまで、BCIインプラントの最長記録を保持していました。

これらのデバイスを装着している人は非常に少ないため、その寿命は未だ不明です。ユタ大学のアレイは、サルの体内で最大10年間持続しました。コープランド氏の場合、アレイはまだ機能していますが、埋め込み後1年ほどの時ほどの性能は発揮していないと、ピッツバーグ大学の生物医学エンジニアでコープランド氏の研究チームの一員であるロバート・ゴーント氏は述べています。「体内に電子機器や人工システムを埋め込むのは非常に難しいのです」とゴーント氏は言います。「体内は過酷な環境であり、体は常にこれらの機器を排除しようとしています。」

埋め込まれたアレイは、脳に刺さるスパイク状の電極を取り囲む神経組織に免疫反応を引き起こす可能性があります。研究によると、この炎症は信号品質の低下につながる可能性があります。また、脳インプラントの周囲に瘢痕組織が形成される可能性があり、これもまた、近くのニューロンからの信号を受信する能力に影響を与えます。BCIがニューロンから解釈できる情報が少ないほど、本来の機能を果たす効率は低下します。

科学者たちがインプラントの寿命を延ばす方法の一つとして、様々な材料の実験が行われている。ユタ大学のアレイはパリレンで絶縁されている。パリレンは、その安定性と低透湿性から医療機器業界で使用されている保護ポリマーコーティングである。しかし、パリレンは時間の経過とともに腐食やひび割れが生じる可能性があり、他の材料の方が耐久性が高いことが判明するかもしれない。

ユタ州のアレイを製造するブラックロック・ニューロテックの共同創業者兼会長、フロリアン・ソルツバッハー氏によると、同社はパリレンと炭化ケイ素の組み合わせでコーティングしたアレイを試験中だという。炭化ケイ素は工業材料として100年以上前から使用されている。「実験台での寿命は最長30年に達することもあり、現在、動物実験での予備データも取得しています」とソルツバッハー氏は語る。しかし、同社はまだヒトへの埋め込み実験を行っていないため、真の試験はヒトの組織がこの新しい製剤にどう反応するかという点になるだろう。

電極の柔軟性を高めることで、瘢痕の軽減にも役立つ可能性があります。アングル氏の会社パラドロミクスは、ユタアレイに似たインプラントを開発していますが、より薄い電極を採用することで組織への影響を軽減しています。

一部の研究者は、硬質のユタアレイよりも脳への組み込みが容易な、より柔らかい素材を試している。マサチューセッツ工科大学の研究グループは、脳と非常によく似た弾力性を持つように設計されたハイドロゲルコーティングの実験を行っている。ペンシルベニア大学の科学者たちは、幹細胞から培養したニューロンと神経線維からなる毛髪のような微小組織、「生体」電極の作製にも取り組んでいる。

しかし、これらのアプローチには欠点もあります。「硬いものを柔らかいものに組み込むことはできます。しかし、非常に柔らかいものをさらに柔らかいものに組み込もうとすると、非常に困難になります」とゴーント氏は言います。

もう一つのアプローチは、インプラントを小型化し、より侵襲性を低減することです。例えば、研究者たちはニューログレイン（砂粒大の微小チップ）を試験しています。これは、理論的には皮質表面に散布できるものです。しかし、これを人間の脳に散布した例はありません。このシステムは、頭蓋骨を摘出したげっ歯類でのみ試験されています。

研究参加者の中には、ユタアレイの摘出と交換手術を受けた人もいますが、複数回の手術は理想的ではありません。なぜなら、毎回インプラント部位に感染や出血のリスクがあるからです。ゴーント氏によると、特にその部位に瘢痕がある場合は、外科医はおそらく新しいインプラントを以前のものと全く同じ場所に埋め込むことはないでしょう。しかし、インプラントが間違った場所に埋め込まれるとBCIの機能を損なう可能性があるため、交換用インプラントが正しい場所に埋め込まれていることを確認することが重要です。

ガント氏は、患者が複数回の手術を受ける必要がなくなるように、外部の BCI コンポーネント (たとえばプロセッサやソフトウェア) をアップグレードできるようにしたほうがよいと述べている。

しかし実際には、ほとんどのBCIシステムの外部部品は、脳インプラントにとって最大のリスクの一つです。頭蓋骨の上に設置される台座は感染を引き起こす可能性がありますが、埋め込まれたアレイを外部コンピューターに接続するために不可欠です。今のところ、コープランド氏をはじめとする研究参加者は、BCIを使用するために頭蓋骨の台座を介してシステムに接続する必要があります（研究者たちはケーブルをなくす取り組みを進めています）。コープランド氏にとって、これはBCIでできることと引き換えに、多少の煩わしさに過ぎません。しかし彼は、将来のシステムがワイヤレスになり、麻痺のある人々にさらに幅広い能力が与えられることを期待しています。

BCIの寿命が未知数であることを考えると、コープランド氏はインプラントがいつか機能しなくなる可能性を認識している。しかし、彼はそれを心配しないようにしている。「私はほとんどのことに対してとても落ち着いています。流れに身を任せているだけです」と彼は言う。とはいえ、アップグレードを拒むつもりはない。「5年後か10年後に何か大きな改善が見られたら、もう一度手術を受けて、思い切って挑戦するでしょう」