重度の下半身麻痺患者が再び歩けるようになった。彼は心で外骨格をコントロールしている。これはフランスの脳コンピューターインターフェースにおける新たなブレークスルーである。

フランスのリヨンに住む麻痺した男性、ティボーさんは、頭部に埋め込まれた2つのセンサーを頼りに、歩行を補助する外骨格装置を制御することができた。

科学者たちは、ティボー氏の脳の運動制御領域の表面上に2つのインプラントを設置した。各インプラントには64個の電極があり、電極が読み取った脳波を動作コマンドに変換できるソフトウェアが搭載されている。

10月3日、フランスのグルノーブル・アルプ大学のアリム・ルイ・ベナビ教授が、この研究をランセット神経学誌に発表した。

1. 解読成功率71%

4年前、ティボーさんはナイトクラブの高さ15メートルのバルコニーから転落し、四肢麻痺となり、その後2年間を病院のベッドで過ごした。 2017年にはフランスのクリナテック社とグルノーブル・アルプ大学が実施した外骨格研究実験に参加した。

彼は最初にビデオゲームの仮想キャラクターを操作して訓練し、その後外骨格を装着して最終的に歩行できるようになった。

この調査は2017年6月12日から2019年7月21日まで実施されました。 20か月以上にわたるさまざまなトレーニングを経て、ティボーさんは脳の信号で外骨格を制御し、ゆっくり歩いたり一時停止したりできるようになりました。歩きたいときは、外骨格が一連の動作を実行して足を前に動かします。彼は腕の自由な動きも制御できます。脳が命令を発してから動きが実現するまでのタイムラグはわずか 350 ミリ秒で、そうでなければシステムの制御は困難になります。

ティボーさんは外骨格を装着したまま歩きます。出典: FONDS DE DOTATION CLINATEC

ティボーは腕の動きをコントロールしています。出典: FONDS DE DOTATION CLINATEC

この装置は、天井に取り付けられたゲーム機のような安全な歩行システムで、長期間の高解像度の脳波記録を提供し、動作の意図をリアルタイムで解読することができます。

30歳のティボーさんは、2年間歩くこともできなかった麻痺した男性にとって、今歩くことは月面を歩くアームストロングのような気分だと語った。

この装置の重量は65キログラムあるため、患者が完全に自立することはまだ不可能である。四肢麻痺の患者は直立歩行が困難で、落下を防ぐために天井から吊るす安全装置が必要です。これは、この装置が実験室から持ち出せない主な理由でもあります。

ティボー氏は、ビデオゲームでは64パーセント、現実世界ではスーツでターゲットに触れる際の成功率71パーセントを達成した。研究者たちは現在、ティボー氏に指で物を掴むよう訓練することを計画している。

2. 半侵襲性脳コンピューターインターフェース

2006年に設立されたクリナテックの創設者の一人である脳神経外科医のアリム・ルイ・ベナビッド氏は、同社が四肢麻痺、神経変性疾患、予後不良の癌患者を助けることを期待している。

ティボー氏の脳の表面の両側には、動きを制御する電気信号を読み取るインプラントが2つ埋め込まれていた。出典: FONDS DE DOTATION CLINATEC

各インプラントには、脳の運動命令を読み取る 64 個の電極が付いています。出典: FONDS DE DOTATION CLINATEC

ティボー氏に使用された電極は脳まで貫通しなかった。この硬膜外ECoGは半侵襲的であり、デコードモデルは7週間ごとに調整できます。このシステムは無線制御され、頭蓋骨に埋め込まれ、長期的な生体適合性を備えています。

この外骨格は、14 個の関節を持つ 4 本の装着型完全電動手足を備えたロボット神経補綴装置です。患者はバックパック型コンピューターを装着し、皮質 EEG 信号を受信し、その信号は 1 次元、2 次元、または 3 次元の運動信号にデコードされます。後者は 100 ミリ秒ごとに外骨格コントローラーに送信され、実行コマンドに変換され、動作を生成します。ただし、このシステムにはカウンターバランスがないため、落下を防ぐために天井に装置を設置する必要があります。

ティボー氏の手術は全身麻酔下で行われた。半侵襲的手術で、直径5センチの開頭手術、頭蓋内感染を防ぐため脳の硬膜外に電極を配置、脳に電極を貫通させず、無線信号伝送を行った。

研究者らは当初2人の被験者を募集したが、インプラントを設置して起動した直後にコミュニケーションが途切れたため、1人がテストから脱落した。ティボーだけがテストを完了しました。

米国でリハビリテーション医学の研究開発に携わるリン・ファン博士への独占インタビュー：これは高次下肢麻痺患者にとって朗報だ

DeepTech: この外骨格デバイスは見た目がかなり大きく、SF で描かれているほど便利とは程遠いですね。臨床上の画期的な成果をどのように評価しますか?

リン・ファン： SFの世界の外骨格、例えばアイアンマンが使っているものは、基本的には生物学の世界の外骨格と同じ意味を持ち、カニの甲羅に似ています。アイアンマンの外骨格は甲羅です。

本論文で報告されているような、人間の機能を強化するために設計された外骨格は、着用可能ではあるものの、シェルの概念とはまったく異なります。これは動力付き外骨格と呼ばれます。この種の外骨格は貝殻の形にはなりませんが、身体本来の運動機能を完成させたり補助したりするために動力が与えられます。

論文で報告されている外骨格は、主にこのシステムが重度の下半身麻痺の患者を対象としているため、リハビリテーション医療ですでに使用されているいくつかの外骨格システムよりも確かに扱いにくいものです。たとえば、報告書のティボーは肩から下が麻痺しています。このタイプの下半身麻痺は四肢麻痺であり、腕でさえ力を発揮できません。したがって、彼らに使用される外骨格システムは、軽量であるSuitXのPhoenixなどの他のシステムとは異なり、信頼性の高い直立支持機能を提供する必要があります。後者は、上肢の機能が完全にあり、松葉杖を使用して体を直立させることができる下肢麻痺の患者向けです。

DeepTech: 他の脳コンピューターインターフェース研究と比較して、この研究の最大の臨床的利点は何ですか?

リン・ファン：この研究の画期的な点は、外骨格システム全体を制御するための、より高度な脳コンピューターインターフェース技術とトレーニング方法の使用にあります。

これまでのリハビリテーション用外骨格は筋電図信号によって制御されていたが、今回の研究では脳コンピューターインターフェース（おそらく初めてではない）を使用し、ユーザーの思考によって外骨格の動きを制御している。具体的には、画期的な点は、第一に、脳組織に電極を刺すのではなく皮質表面電極を使用すること、第二に、身体の両側、つまり手足を制御するために 2 組の電極を埋め込むこと、そして第三に、皮質電気信号の伝送がワイヤレスであることです。

訓練方法は段階的であり、基本的に患者は 1 つの自由度で手足の動きを制御することから始めて、徐々に8 つの自由度を制御できるようになるまで進みます。

さらに、論文によれば、トレーニングおよび調整済みの制御モデルは、再トレーニングおよび再調整を必要とせずに最大 7 週間使用できます。

この研究の臨床上の利点は、電極が脳組織を貫通せず、無線で信号を送信するため、侵襲性が低く、外傷性が低く、感染しにくいことです。同時に、7 週間以内の再トレーニング調整は不要となり、患者とセラピストの負担が軽減されます。

DeepTech：このデバイスの仮想ゲームでの成功率は64％、研究室での成功率は70.9％です。では、デバイス制御の成功率に影響を与える要因は何でしょうか？

リン・ファン：多くの要因があります。皮質電気信号の品質、解釈の精度（デコードにどのモデルを使用するかを含む）、制御システムの堅牢性など。

もう一つ無視できない側面があります。患者が外骨格システムを制御して歩いたり、さまざまな日常活動（まだ比較的単純ですが）を行えるようになると、つまり外骨格システムは体の一部とみなされます。脳には可塑性があります。これにより、脳の神経運動制御方法に変化が生じるでしょうか？したがって、デコード/制御システムの調整は、生涯にわたって完全に固定することはできず、適時に調整する必要があります。現状では7週間後に調整が必要ですが、将来はどうなるのでしょうか？したがって、いつ調整が必要になるかというのも非常に興味深い研究課題です。

DeepTech: 外骨格デバイスのアイデアは、麻痺した患者を助けるために現在最も適しているのでしょうか?

リン・ファン：必ずしもそうではない。麻痺した人を助けるためには、彼らが失った機能、身体に残っている機能、リハビリの目標が何であるかを具体的に分析する必要があります。そうすることで初めて、障害者一人ひとりがどのような支援を必要としているのかを具体的に理解することができます。外骨格は、今のところ人気ではあるものの、選択肢の 1 つにすぎません。 ‍