機械で心を読む

アレクサンドル・デュマの古典的な小説『モンテ・クリスト伯』では、ムッシュ・ノワールティエ・ド・ヴィルフォールという登場人物がひどい脳卒中を患い、麻痺が残ります。 彼はまだ目覚めていて意識はありますが、もはや動くことも話すこともできず、孫娘のヴァレンタインに頼ってアルファベットを暗唱したり、必要な文字や単語を見つけるために辞書をめくったりしています。 この初歩的なコミュニケーション方法を使って、決意の強い老人は継母の毒殺からバレンタインを救い、彼女の意に反して彼女と結婚させようとする息子の試みを阻止することができた。

デュマが描いたこの破滅的な状態（彼の言葉を借りれば、「魂がその命令に従わなくなった身体に閉じ込められている」状態）は、閉じ込め症候群の最も初期の記述の一つである。 この形態の重度の麻痺は、通常は脳卒中が原因で脳幹が損傷した場合に発生しますが、腫瘍、外傷性脳損傷、ヘビ咬傷、薬物乱用、感染症、または筋萎縮性側索硬化症（ALS）などの神経変性疾患の結果としても発生します。

この状態は稀であると考えられていますが、どの程度稀であるかを言うのは困難です。 閉じ込められた患者の多くは、目的を持った目の動きやまばたきによって意思疎通が図れるが、完全に動けなくなり、眼球やまぶたを動かすことさえできなくなり、「理解できたら二度まばたき」という命令が意味をなさなくなる患者もいる。 その結果、患者は適切な診断を受けるまでに、意識はあるものの意思疎通ができない状態で、動かない身体の中で平均79日間過ごすことになる。

ブレイン・マシン・インターフェースの出現により、この閉じ込められた状態にある人々にコミュニケーションを回復させ、外の世界と再びつながることができるようにするという期待が高まっています。 これらの技術は通常、埋め込み型デバイスを使用して音声に関連する脳波を記録し、コンピューター アルゴリズムを使用して意図されたメッセージを翻訳します。 最もエキサイティングな進歩には、瞬きしたり、視線を追跡したり、発声を試みたりする必要はなく、その代わりに、人が頭の中で静かに発する文字や単語を捕捉して伝えることができます。

パサデナのカリフォルニア工科大学で計算と神経システムを専攻する大学院生、サラ・ワンデルト氏は、「このテクノロジーには、最も多くの損失を被った人々、実際にロックダウンされてまったくコミュニケーションが取れなくなった人々を助ける潜在力があると感じています」と語る。 。 ヴァンデルトらによる最近の研究では、ブレイン・マシン・インターフェースが内部音声を解読できるという最初の証拠が提供された。 これらのアプローチは有望ではあるものの、多くの場合侵襲的で手間がかかり、費用がかかるため、閉じ込められた患者に発言権を与えるにはさらに多くの開発が必要になると専門家らは同意している。

脳を活性化する – しかし、どこで？

ブレイン マシン インターフェイスを構築する最初のステップは、脳のどの部分をタップするかを決定することです。 デュマが若かった頃、多くの人は、人の頭蓋骨の輪郭が心の内部の働きを理解するための地図帳となると信じていました。 博愛、食欲、言語などの人間の機能が遮断されたカラフルな骨相図は、今でも古い医学書やデパートの室内装飾品売り場で見つけることができます。 「もちろん、それがナンセンスであることは今ではわかっています」とカリフォルニア工科大学の神経科学者で博士研究員のデイビッド・ビョーネスは言う。 実際、私たちの能力や機能は、脳のさまざまな領域間の相互作用の網の目から生まれ、各領域がニューラル ネットワークのノードとして機能していることが現在では明らかになっています。 この複雑さは、課題であると同時にチャンスでもあります。内部言語を担当する脳領域がまだ見つかっていないため、さまざまな領域が実行可能な標的になる可能性があります。

たとえば、ヴァンデルト氏とビョーネス氏らは、縁上回（SMG）と呼ばれる頭頂葉の一部が、通常は物体をつかむことに関連しており、発話中にも強く活性化されることを発見した。 彼らは、微小電極アレイ（縮小された金属スパイクの束で覆われた押しピンの頭よりも小さいデバイス）をSMGに埋め込んだ四肢麻痺の研究参加者を観察しているときに、驚くべき発見をした。 このアレイは個々のニューロンの発火を記録し、もつれたワイヤーを介してデータをコンピューターに送信して処理することができます。

ビョーネス氏は、ブレインマシン インターフェイスのセットアップをフットボールの試合に例えています。 あなたの脳がフットボール スタジアムであり、それぞれのニューロンがそのスタジアムにいる人であると想像してください。 電極は、スタジアムに下げて聞くためのマイクです。「電極をコーチの近く、あるいはアナウンサーの近く、または観客の中で何が起こっているかを本当に知っている人の近くに配置することを望んでいます」と彼は説明します。 「そして、私たちはフィールドで何が起こっているのかを理解しようとしているのです。観衆のどよめきが聞こえたら、それはタッチダウンですか？あれはパスプレーですか？あれはクォーターバックが解雇されたのですか？私たちはルールを理解しようとしています」より多くの情報を得ることができれば、デバイスの性能も向上します。」

脳内では、埋め込まれたデバイスはニューロン間の細胞外空間に位置し、そこでニューロンが発火するたびにシナプスを通過する電気化学信号を監視します。 インプラントが関連するニューロンを感知すると、電極が記録する信号はオーディオ ファイルのように見え、さまざまな動作や意図に応じて異なる山と谷のパターンが反映されます。

カリフォルニア工科大学のチームは、四肢麻痺の研究参加者が 6 つの単語 (戦場、カウボーイ、ニシキヘビ、スプーン、水泳、電話) と 2 つの擬似単語 (ニフジグ、ビンディップ) を心の中で「話した」ときに生成される脳パターンを認識できるようにブレイン マシン インターフェイスを訓練しました。 彼らは、わずか 15 分のトレーニング後、比較的単純なデコード アルゴリズムを使用することで、デバイスが 90% 以上の精度で単語を識別できることを発見しました。

ワンデルト氏は、サンディエゴで開催される2022年神経科学学会で、査読済みの科学雑誌にはまだ掲載されていないこの研究を発表した。 彼女は、この発見は重要な概念実証を意味すると考えているが、閉じ込められた患者が意地悪な継母を打ち負かしたり、コップ一杯の水を調達したりするには、その前に語彙を拡張する必要があるだろう。 「明らかに、私たちが選んだ言葉は最も有益なものではありませんでしたが、それらをイエス、ノーなど、本当に有益な特定の言葉に置き換えていただければ、役立つでしょう」とワンデルト氏は会議で述べた。

想いを文字に、言葉に

別のアプローチは、単語の代わりに文字を認識するブレインマシンインターフェイスを設計することで、大量の語彙を構築する必要性を回避します。 ローマ字の各文字をコードする単語を口に出してみることで、麻痺のある患者は頭に浮かんだ単語を綴り、それらの単語をつなぎ合わせて完全な文でコミュニケーションをとることができます。

カリフォルニア大学サンフランシスコ校とカリフォルニア大学で生物工学を専攻する大学院生ショーン・メッツガー氏は、「顧客サービス担当者と電話で話しているときなど、音声で大声で物事を綴ることは、私たちがよく行うことだ」と話す。カリフォルニア、バークレー。 電話回線の静電気と同じように、脳信号にもノイズが含まれる可能性があります。 A にはアルファ、B にはブラボー、C にはチャーリーなどの NATO コードワードを使用すると、誰かが何を言っているかを識別しやすくなります。

メッツガー氏らは、脳卒中により動くことも話すこともできなくなった参加者を対象に、このアイデアをテストした。 研究参加者には、クレジットカードほどの大きさの、より大きな電極配列が運動皮質の広い範囲に埋め込まれていました。 このアレイは、個々のニューロンを盗聴するのではなく、サッカー スタジアムのセクション全体のうめき声や歓声を同時に聞くような、数万個のニューロンの同期した活動を記録します。

このテクノロジーを使用して、研究者たちは何時間ものデータを記録し、それを高度な機械学習アルゴリズムに入力しました。 彼らは、被験者が黙って綴った「それでいいよ」や「今何時？」などの文の92％を解読することができた。 – 2 回の試行のうち少なくとも 1 回。 メッツガー氏によると、次のステップは、このスペルベースのアプローチと、以前開発した単語ベースのアプローチを組み合わせて、ユーザーがより迅速かつ少ない労力でコミュニケーションできるようにすることだという。

「まだ初期段階です」

現在、世界中で 40 人近くの人が微小電極アレイを移植されており、さらに多くの人がオンラインで移植を受けています。 これらのボランティアの多く（脳卒中、脊髄損傷、ALSなどで麻痺した人たち）は、コンピューターに接続して何時間も費やし、研究者が新しいブレインマシンインターフェースを開発するのを手助けし、いつか他の人が失った機能を取り戻せるようにしている。 テキサス大学オースティン校のコンピューターおよび音声科学者であるジュン・ワン氏は、音声を復元する装置の開発における最近の進歩に興奮していると述べているが、実用化までには長い道のりがあると警告している。 「現時点では、この分野全体はまだ初期段階にあります。」

ワン氏と他の専門家は、デバイスの煩わしさを軽減し、より正確で高速にするハードウェアとソフトウェアのアップグレードを望んでいる。 たとえば、UCSF の研究室が開発したデバイスは 1 分あたり約 7 ワードのペースで動作しましたが、自然な音声は 1 分あたり約 150 ワードで移動します。 そして、たとえテクノロジーが人間の会話を模倣するように進化したとしても、ある程度の移動能力や会話能力を持つ患者を対象に開発されたアプローチが、完全に閉じ込められた患者に効果があるかどうかは不明だ。「私の直観では、規模は拡大するだろうが、何とも言えない」それは確かです」とメッツガー氏は言う。 「それは検証する必要があるでしょう。」

もう 1 つの未解決の問題は、脳手術を必要としないブレインマシン インターフェイスを設計できるかどうかです。 非侵襲的なアプローチを作成する試みは、そのようなデバイスが組織や骨の層を通過する信号を理解しようとするため、駐車場からフットボールの試合を追いかけようとするのと同じように、挫折してきました。

ワン氏は、脳磁計（MEG）と呼ばれる高度な画像技術の利用を進めてきた。この技術は、脳内の電流によって生成される頭蓋骨の外側の磁場を記録し、それらの信号をテキストに変換するものである。 彼は現在、MEG を使用して、英語の 44 の音素、つまり音声 (ph や oo など) を認識するデバイスを構築しようとしています。これを使用して、音節、単語、文の構築に使用できます。

結局のところ、閉じ込められた患者の言語を回復するという最大の課題は、テクノロジーよりも生物学に関係している可能性があります。 音声、特に内部音声がエンコードされる方法は、個人または状況によって異なる場合があります。 ある人は心の中で紙に単語を走り書きすることを想像するかもしれません。 ある人は、まだ語られていない言葉が耳にこだまするのを聞くかもしれません。 さらに別の人は、単語をその意味と関連付けて、特定の感情状態を呼び起こすかもしれません。 人によって異なる脳波が異なる単語に関連付けられる可能性があるため、各人の個人的な性質に応じて異なるテクニックを適用する必要がある可能性があります。

「さまざまなグループによるこの多面的なアプローチが、私たちの拠点をすべてカバーする最善の方法だと思います」とビョーネス氏は言います。「そして、さまざまな状況で機能するアプローチを持っています。」

10.1146/knowable-051823-1

マーラ・ブロードフットは、ノースカロライナ州ウェンデルに住むフリーランスのサイエンス ライターです。 彼女は遺伝学と分子生物学の博士号を持っています。 彼女の @mvbroadfoot をフォローして、ここで彼女の作品をもっとご覧ください。

この記事は元々、Annual Reviews からの独立したジャーナリスト活動である Knowable Magazine に掲載されました。 ニュースレターに登録します。

一般的なお問い合わせ:[email protected]