脳インプラントの次のフロンティアは人工視覚

ブライアン・バサード氏の脳には25個の小さなチップが埋め込まれている。これらのチップは、視覚障害者に基本的な視覚機能を与えるために設計された無線デバイスの試験研究の一環として、2022年2月に埋め込まれた。バサード氏は最初の参加者である。

56歳のブサードさんは、17歳の時に網膜剥離で左目の視力を失いました。2016年には右目も視力を失い、完全に失明しました。彼はそれが起こった瞬間を今でもはっきりと覚えています。「人生で一番辛い経験でした」と彼は言います。そして、最終的には適応する術を身につけました。

2021年、彼はシカゴのイリノイ工科大学で視覚補助装置の治験が行われることを耳にした。研究者たちは、この装置は実験段階であり、以前の視力レベルを取り戻すことは期待できないと警告した。それでも、彼は興味をそそられ、参加を決めた。脳に埋め込まれたチップのおかげで、ブサード氏は現在、非常に限定的な人工視覚を持っている。彼はそれを「レーダー画面上の点」と表現している。このインプラントのおかげで、彼は白と虹彩色の点で表された人や物体を認識できる。

ブサード氏は、世界でも数少ない、脳手術のリスクを冒して人工視覚装置を装着した視覚障害者の一人です。スペインでは、ミゲル・エルナンデス大学の研究者らが4人に同様の人工視覚装置を移植しました。この臨床試験は、数十年にわたる研究の集大成です。

業界からの関心も高まっています。カリフォルニアに拠点を置くコーティジェント社はオリオンを開発しており、すでに6人のボランティアに埋め込まれています。イーロン・マスク氏のニューラリンク社も、視覚のための脳インプラントの開発に取り組んでいます。3月のXへの投稿で、マスク氏はニューラリンク社のデバイス「ブラインドサイト」が「既にサルで機能している」と述べています。さらに、「解像度は当初は初期の任天堂のグラフィックのように低いですが、最終的には人間の通常の視力を超える可能性があります」と付け加えました。

視覚は非常に複雑なプロセスであることを考えると、最後の予測は実現しそうにありません。脳インプラントによって視覚の質を向上させるには、大きな技術的障壁があります。しかし、基本的な視覚を獲得するだけでも、視覚障害者は日常生活においてより自立した生活を送ることができるようになるでしょう。

「これは生物学的な視覚を取り戻すことではありません」と、ブッサード氏が参加している研究を率いるイリノイ工科大学の生物医学工学教授フィリップ・トロイク氏は言う。「人工視覚の可能性を探るのが目的なのです」

光が目に当たると、まず角膜と水晶体という、目の外層と中層を通過します。光が目の奥、網膜に到達すると、そこにある光受容体と呼ばれる細胞が電気信号に変換します。この電気信号は視神経を通って脳に伝わり、脳はそれを私たちが見る画像として解釈します。

網膜や視神経が損傷を受けていないと、目は脳と情報伝達できません。これは多くの失明者に当てはまります。トロイク氏とニューラリンクが開発しているデバイスは、目と視神経を完全にバイパスし、情報を脳に直接送ります。そのため、眼疾患や外傷など、あらゆる失明の原因に対応できる可能性があります。

目から受け取った情報を処理する脳の特定の領域は視覚皮質と呼ばれています。後頭部に位置しているため、インプラントが容易にアクセスできます。ブサード氏の脳に25個のチップを埋め込むため、外科医は通常の開頭手術を行い、頭蓋骨の一部を切除しました。

ブサード氏の脳に埋め込まれたチップは、実際には微弱な電流を発する小型の刺激装置です。チップ1つは鉛筆の消しゴムほどの大きさで、髪の毛よりも細い16個の微小電極が内蔵されています。各電極は個別に制御可能です。ブサード氏の脳には合計400個の電極が埋め込まれています。「脳内に携帯電話のネットワークがあるようなものです」とトロイク氏は言います。

眼鏡に取り付けられたカメラがブサード氏の周囲の状況を捉える。撮影された画像は特殊なソフトウェアで処理され、チップネットワークに指令を送るコマンドに変換される。指令は個々の電極を作動させ、ニューロンを刺激する。この刺激によって、閃光と呼ばれる光の点のように見える視覚が生み出される。ただし、実際には光は目に届いていない。

刺激源は視覚皮質の一部に集中しているため、ブサード氏は視野の左下部分にのみ閃光を視認します。しかし、部屋の中を移動したり、テーブルの上の4つの異なる物体の中から皿を選び出すといった基本的な作業を行う能力を向上させるには十分です。

より鮮明な画像を生成することは、これらのシステムにおける主要な課題の一つです。「電極の数が増えれば増えるほど、理論的にはより多くの閃光を発生させることができ、より複雑な形状を人工的に生成できるようになります」と、ピッツバーグ大学眼科学助教授のシン・チェン氏は述べています。

昨年、チェン氏らは1,024個の電極を用いて作製した視覚補助装置に関する研究を発表しました。サルでこのシステムを試験したところ、サルは人工的に生成された文字を認識できるようになりました。人間の視力低下を回復させるために必要な電極の数は、数百から数千と推定されています。しかし、トロイク氏は、重要なのは電極の数ではなく、その配置だと考えています。視覚皮質全体に電極を分散させることで、より広い視野に、より多くの光点を生成できるからです。ただし、その代償として、より侵襲的な手術が必要になる可能性があります。

スペインのミゲル・エルナンデス大学で行われた研究では、被験者は100個の電極を備えた埋め込み型デバイスをたった1つしか装着していませんでした。しかし、2021年に発表された研究結果によると、このシステムでさえ、60歳の女性が線、図形、そして簡単な文字を識別することができたとのことです。この研究を率いる神経科学者のエドゥアルド・フェルナンデス氏によると、研究者らはその後、さらに3人の視覚障害者の被験者を対象に同様の結果を再現しました。

フェルナンデス氏は、人工視覚は「再び目が見えるようになるのとは違う」と強調する。彼の主な目標は、視覚障害者の方向感覚と運動機能を改善することだ。ある実験では、人工視覚を装着した男性が、仮想現実（VR）のビデオスクリーンの前でトレッドミルを歩きながら、障害物を避けることができた。将来的には、フェルナンデス氏は電極を追加して閃光の数を増やし、より詳細な画像を作成したいと考えている。

今のところ、彼のチームは研究の初期段階である4人のボランティアから多くのことを学んでいます。視覚皮質は人それぞれ少しずつ異なるため、研究者たちは埋め込み電極の配置や電気刺激の強さを試行錯誤する必要があります。「刺激は各ボランティアに合わせてカスタマイズします」とフェルナンデス氏は言います。

インプラントを最適な性能に調整するのは容易ではありません。人工視覚を作り出す初期の実験では、研究者たちは脳の表面に大型の電極を配置し、閃光を発生させるために比較的高い電流を必要としました。この刺激は、発作、痛み、脳組織の損傷を引き起こすことがありました。チェン氏によると、閃光を誘発するのに十分な電流値が必要でありながら、望ましくない副作用を引き起こさないバランスが重要だという。

もう一つのハードルは、脳に埋め込まれるデバイスの寿命です。ピッツバーグとスペインの研究では、研究者たちはユタアレイと呼ばれる硬質デバイスを使用しました。これは、先端に電極が付いた100本の小さなシリコン針を正方形の格子状に並べたものです。ユタアレイは数ヶ月から数年持続しますが、インプラントの周囲に瘢痕組織が形成され、近くのニューロンからの信号を拾う能力が阻害されると、機能しなくなります。イリノイ大学のチームのインプラントは、小型のヘアブラシのヘッドのような外観で、金属の一種である酸化イリジウムで作られています。一方、コーティジェントのオリオンデバイスは、脳組織ではなく視覚皮質の表面に電極を配置します。

Neuralinkをはじめとする企業は、より小型で柔軟な電極を脳内に挿入するデバイスを開発しています。例えば、Neuralinkのコイン型のデバイスは頭蓋骨内に留置され、細い糸状の電極が脳組織にまで伸びています。チェン氏によると、より柔らかい電極はインプラントの寿命を延ばす可能性があるものの、これらの代替電極が脳内でどれだけ長く持続するかはまだ分かっていません。

もう一つの未解決の疑問は、失明期間がこれらの機器の有効性に影響を及ぼすかどうかだ。スペインで行われた研究の最初の参加者は、失明から16年が経過していたにもかかわらず、大まかな形状を認識できた。一方、ブサード氏は6年間、完全に失明していた。

「何年も失明すると、視覚系の退化が始まることは分かっています」とチェン氏は言う。「介入が早ければ早いほど良い可能性はありますが、これはまだ体系的な研究と証明が必要です。」

2022年11月のイベントで、マスク氏は「生まれつき目が見えなかった人のように、視力を失った人でも、視力を回復できると信じている」と主張した。フェルナンデス氏は確信は持てないが、生まれつき目が見えなかった人の視力回復はこれまで試みられたことがないと指摘する。彼によると、理論上は、視覚野が正常に機能している必要があるという。しかし、生まれつき目が見えなかった人は、視覚情報を処理するために脳のその部分を使ったことがないのだ。

現在、ブサード氏は、研究者が刺激を制御できる研究室でのみ、人工視覚装置の使用に制限されています。トロイク氏と彼の同僚は、将来の研究参加者が自宅で装置を使用できるように、モバイルシステムの開発に取り組んでいます。トロイク氏は、成人後に視力を失ったものの、少なくとも生後10年間は​​正常またはほぼ正常な視力を維持していたボランティアを新たに募集しています。スペインの研究では、参加者は試験プロトコルの一環として、6ヶ月間人工視覚装置をインプラントで埋め込み、その後除去します。

バサード氏は、この装置を研究室の外で使ってみたいと語る。彼には耳が聞こえず、目も見えない犬がいて、自宅で義肢が使えたら犬を探すのがずっと楽になるのに、と冗談を言う。しかし、生きている間にこの装置から大きな恩恵を受けられないかもしれないとも分かっている。「自分のためにやっているわけではありません」と、この治験への参加について彼は言う。「未来の世代のためにやっているんです」