思考力による義手のより正確な制御

October, 29, 2024, Göttingen--ライプニッツ霊長類研究所(German Primate Center, DPZ) – Leibniz Institute for Primate Researchの研究チームは、アカゲザルを用いた研究において、ブレイン・コンピュータ・インタフェースのための新しいトレーニングプロトコルを開発した。
この方法により、脳からの信号を使用するだけで、義手を正確に制御できる。研究チームは、脳内の手の様々な姿勢を制御するのは主にニューロン信号であり、以前に考えられていたように動きの速度を制御する信号ではないことを初めて示すことができた。この結果は、麻痺患者(ニューロン)の可動性を部分的または完全に回復させるために、ニューロンの義手の微細制御を改善するために不可欠である。

買い物袋を持ち運ぶとき、針の穴に糸を通すとき、強度と精密なグリップはわれわれの日常生活の一部である。人は、例えば対麻痺や進行性筋麻痺を引き起こすALSなどの病気のために手を使えなくなったときにのみ、自分の手がどれほど重要であるか(そして素晴らしい)ことに気づく。

患者を助けるために、科学者たちは何十年にもわたって神経補綴物を研究してきた。これらの義手、または義足は、障害を持つ人々に可動性を取り戻す可能性がある。損傷した神経接続の橋渡しは、脳からの信号を読み取り、それらを動きに変換して、プロテーゼを制御することができるブレインコンピュータインタフェースを介して行われる。しかし、これまでのところ、特にハンドプロテーゼ(義手)の場合、日常生活で使用するために必要な細かい運動能力が不足していた。

「プロテーゼがどれだけうまく機能するかは、主に、それを制御するコンピュータインタフェースによって読み取られるニューロンデータに依存する。腕と手の動きに関するこれまでの研究では、握る動きの速度を制御する信号に焦点が当てられていた。われわれは、手の位置を表すニューロン信号が神経補綴物の制御により適しているかどうかを調べたかった」と、ドイツ霊長類センタの神経生物学部門の科学者、この研究の筆頭著者、Andres Agudelo-Toroは話している。

この研究では、研究チームはアカゲザル(Macaca mulatta)に取り組んだ。人間と同様に、サルは高度に発達した神経系と視覚システム、および顕著な細かい運動能力を持っている。そのため、把持動作の研究に特に適している。

チームは、2匹のアカゲザルに、画面上で仮想のアバタの手を動かすように訓練した。運動段階では、サルは自分の手で動きを実行し、同時に画面上の仮想手の対応する動きを見た。一方、サルがタスク中に着用していた磁気センサ付きのデータグローブは、動物の手の動きを記録した。

サルが課題を学習した後、ハンドルを「想像するだけ」で仮想の手を制御する課題が与えられた。手の動きを制御するために特異的に関与する皮質脳領域の神経細胞集団の活動が測定された。チームは、手と指のさまざまな姿勢を表す信号に着目し、ニューロンデータを運動に変換する役割を担うブレイン・コンピュータ・インタフェースのアルゴリズムを、対応するプロトコルで再適応させた。

「従来のプロトコルから逸脱して、運動の目標だけでなく、そこにたどり着く方法、つまり実行の道筋も重要になるようにアルゴリズムを適応させた。これにより、最終的に最も正確な結果が得られた」とAndres Agudelo-Toroは説明している。

次に、研究チームは、アバタの手をつかむ動きを、以前に記録した実際の手のデータと比較し、これらが同等の精度で行われたことを示すことができた。

「われわれの研究では、手の位置と姿勢を制御する信号が神経補綴物の制御に特に重要であることを示すことができた。これらの結果は、将来、ブレインコンピュータインタフェースの機能を改善し、ニューロンプロテーゼの微細運動能力を改善するために利用することができる」と、神経生物学部門の責任者、研究の上級著者、HansjörgScherbergerはコメントしている。