この脳

2011 年、ガート・ヤン・オスカムさんは歩行能力を失いました。 12年後、スイスにあるエコール・ポリテクニーク・フェデラーレ・ド・ローザンヌ（EPFL）の神経科学者たちが、彼が立ち直るのを助けた。

自転車事故で外傷性頚椎損傷を負ったオスカムさんは、生命科学工学教授グレゴワール・クルティーヌ率いるEPFLニューロリストア研究センターの科学者の助けで脚のコントロールを取り戻した。 身体的支援とリハビリテーションのための神経技術を研究開発しているコーティーン氏とその共同研究者らは、損傷した脊椎で失われた機能を部分的に置き換える装置をオスカムさんに移植した。

Nature Neuroscience に 5 月 24 日に掲載された最近の論文で、コーティンと彼のグループはオスカムの回復の詳細を発表しています。 オスカムが経験したような怪我は、人の脊椎の組織が損傷し、脳から体の他の部分への神経伝達が遮断された結果です。 神経系と筋肉系の間のつながりがなければ、人は意図したように動くことができません。 オスカムさんの場合、頸椎の損傷により脳が足から実質的に切り離され、歩くことができなくなった。

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Courtine の研究は、脳脊椎インターフェース (BSI) の形でこの問題の解決策を提示しています。 BSI は 2 つのステップで動作します。 まず、ブレイン・コンピューター・インターフェースが、オスカムの脳の表面に置かれた電極からの神経活動を測定する。 脚の制御に関連する脳活動は、それを認識するように訓練された機械学習モデルによってデコードされ、オスカムの脊椎に埋め込まれた別の電極セットを制御するために使用されます。 この脊髄刺激装置は、自然な歩行動作を引き起こすニューロンのグループを活性化します。 言い換えれば、BSIはオスカムの怪我によって生じた神経系のコミュニケーションギャップを埋め、オスカムに歩行能力を取り戻させたのだ。 新しいシステムのおかげで、彼は一日に200メートル以上歩くことができ、歩行器を使わずに3分間立っていられるようになった。

EPFL チームは、脚の動きを制御する脳領域の上にデバイスを埋め込み、患者が歩くことを考えたときに脳によって生成される電気信号をデコードしました。EPFL

オスカム氏は、現在のBSIで使用されている脊髄刺激技術を開発するこの同じグループの以前の研究に参加していた。 以前のデバイスは、オスカムの足の自然な歩行動作を再現し、腰、太もも、ふくらはぎ、足の多くの筋肉群の収縮を調整することができました。 この動作はオスカムにとってある程度自然に感じられましたが、元のデバイスの制御システムはそうではありませんでした。ステップ動作を開始するために、システムはオスカムがまだ右腰の周りで行うことができた小さな収縮を監視し、それに応じて脚を動かしました。

ジミー・ラヴィア/EPFL

BSI システムを完成させるためのブレイン コンピューター インターフェイスの追加により、歩行制御がより直感的になりました。 オスカム氏は記者会見で、旧システムでは「刺激が私をコントロールしていたが、今は刺激をコントロールできるようになった」と改善についてコメントした。

BSI によって提供されるもう 1 つの利点は、オスカムの脊椎の損傷した組織がある程度修復されることです。 数週間から数か月かけて刺激システムの使い方を学んだ後、オスカム氏と研究者らは、装置の助けなしで足を動かす能力を取り戻しつつあることを発見した。 彼らは、オスカムが最初の股関節主導の刺激システムの使い方を学んだときに初めてこの回復を確認しましたが、脳主導の制御を追加すると、脊椎の治癒が大幅に向上することがわかりました。

研究チームによると、この回復は、脊椎の損傷部分への送信とそこからの読み出しの両方でニューロンの協調動作を再確立する装置によって促進されるという。 近位に位置するニューロンが同じタイミングで確実に活性化すると、私たちの神経系はそれらを接続する傾向があります。 オスカムの場合、BSI システムは損傷の下の脊椎のニューロンを刺激しましたが、損傷した組織の上のニューロンは依然として発火し続けていました。これは、オスカムの脚の動きを開始および制御する脳の部分にまだ接続されているためです。 「詳細なメカニズムは不明ですが、全体的な考え方は、感覚運動ループが閉じているということです」とコーティーン氏は言う。 「彼は、同時に刺激される自然の経路で領域を活性化しようとしています。自然の経路とデジタル経路の間のこの協力が、投影の再成長を促進している可能性があります。」