両手で操作する初の脳コンピューターインターフェース：10時間の開頭手術後に6つの電極を埋め込み、麻痺した人が心でケーキを食べる

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かつてサーフィン中に事故に遭い、四肢が麻痺してしまったバズ・チミレフスキーという男性がいました。 10代の頃からその後の30年間、バズ・チミレフスキーの腕はほとんど動かなかった。

彼は若い頃の健康と活力を取り戻すことは決してできなかったが、それでも勇気を振り絞って、米国の有名私立大学であるジョンズ・ホプキンス大学医学部と応用物理学研究所の研究チームによる一連の実験を受け入れ、一般の人々が不可能だと思うことに挑戦した。

幸いなことに、実験は成功しました!

バズ・チミレフスキ氏はテクノロジーの力を活用して、2 本のロボットアームを自分の脳で同時に制御することに成功した。これは医学上初めてのことだ。

まず、彼は左のロボットアームを制御してナイフを取り、右のロボットアームを制御してフォークを取り、お皿の上のケーキを切りました。

すると、ロボットアームの1つがゆっくりと動き、ケーキを口の中に運びました。

実際、研究チームが彼に対して使用した技術は、一般の人々がよく知っていて懸念している技術、「侵襲的脳コンピューターインターフェース」である。

6つの電極を埋め込む10時間の手術

この実験は「両側脳コンピュータインターフェース埋め込み実験」と呼ばれています。

2006年、米国防高等研究計画局（DARPA）は、研究チームができるだけ早く義肢（上肢）の技術を改善し、患者に義肢を操作するための新しいアイデアと方法を提供できることを期待して、この実験に関連するプロジェクトを立ち上げました。当初のアイデアは、人間のような機能を備えた神経統合型義肢（上肢）を作成することでしたが、その後、指先に適用されるような圧力センサーと加速度センサーを統合したモジュラー義肢（MPL）へと徐々に進化しました。

2019年1月、10時間に及ぶ手術で、外科医はバズ・チミレフスキーの脳に6つの電極を埋め込み、外界に対する彼の手の知覚を改善し、伝説的なマインドコントロールを実現しようとした。

具体的には、バズ・チミレフスキー氏は、脳の両側（動きと触覚を制御する領域）に皮質内微小電極アレイセンサーを移植しました。手術中、研究チームは脳の活動をリアルタイムでマッピングすることで電極を配置する最適な場所を決定するという先駆的な方法も使用した。

手術後、ジョンズ・ホプキンス大学医学部と応用物理学研究所の2つのチームは約2年間の共同研究を開始し、ついに上記の重要なマイルストーンに到達しました。

下の写真に示すように、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所のエンジニアであるフランチェスコ・テノーレ博士は、バズ・チミレフスキーの隣に立ち、彼が 2 本のロボットアームを意識的に制御する様子を注意深く監視しています。

ジョンズ・ホプキンス大学医学部の理学療法・リハビリテーション科教授兼ディレクターであり、研究チームのメンバーでもあるパブロ・セルニック医学博士は、次のように述べています。

この種の研究は、しばしば脳コンピューターインターフェース（BCI）と呼ばれ、現在のほとんどの試みは、脳の片側を制御することによって単一のロボットアームを制御することに焦点を当てています。したがって、脳の両側からの信号を検出する電極を埋め込むことで、2 本のロボット アームを制御して基本的な日常活動を実行できるようにすることは、より複雑なタスクを実現するための重要なステップであると言えます。

この点について、ジョンズ・ホプキンス大学医学部の理学療法・リハビリテーション科助教授であり研究チームのメンバーでもあるガブリエラ・カンタレロ博士は次のように付け加えた。

脳コンピューターインターフェースの助けを借りて 2 本のロボットアームを同時に制御することは、脳内で左腕の動きと右腕の動きを計算するだけの単純な合計ではないため、特に困難です。ここでは、1+1 は 2 に等しくないかもしれません。1 + 1 = 3.8 です。

注目すべきは、この画期的な実験が、実際には脳コンピューターインターフェース＋ロボット工学＋人工知能の共同成果であるということです。患者の体外のハードウェア部分では、研究者らは人工知能技術を通じてロボットアームの制御の部分的な自動化を実現しました。 Buz Chmielewski 氏の取り組みが、意識的な制御によって細部 (ケーキの正確な位置やカット後のケーキの特定のサイズなど) を確実にすることだとすると、ロボット部分の仕事は、これらの基本的な動作をより簡単に実現できるようにすることです。

実際、研究チームは神経信号を利用してシステムの「リアルタイム」制御を実現する方法を研究してきた。その効果をテストするために、さらに 3 人の参加者が神経制御の研究に参加し、最終的に 3 人の参加者全員が単一のロボット アームの神経制御に成功しました。

将来的には、神経刺激を通じて患者の両手に同時に感覚フィードバックを与える方法も研究している。フランチェスコ・テノーレ博士はこう語った。

次のステップには、患者が行う日常的な活動の数と種類を増やして、この形式の人間と機械のコラボレーションが信頼できるものであることを実証し、ユーザーに感覚フィードバックを伴う追加タスクを提供することが含まれます。これは、普通の人が動きを感じて、見ずに靴ひもを結ぶことができるのと同じように、患者が成功したかどうかを判断するのに視覚だけに頼る必要がないことを意味します。

最後に、脳インプラントを使用することで、四肢麻痺患者は意識で同時に2本の義肢を制御できるようになり、これは重度の脊髄損傷や神経筋疾患の患者の能力回復にとって間違いなく大きな意義を持つ。

脳コンピュータ革命：侵襲的か非侵襲的か？

近年、脳コンピューターインターフェースの分野では大きな進歩が次々と起こっています。

浙江大学は2020年1月16日、「デュアルブレインプロジェクト」の科学研究成果を正式に発表した。電極を埋め込んだボランティアは、脳からの運動皮質信号を利用して外部のロボットアームを正確に制御し、3次元空間での動きを実現できる。

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2020年4月23日、学術誌「セル」は米国オハイオ州からの主要な研究論文を掲載し、脳コンピューターインターフェースシステムを使用して重度の脊髄損傷患者の手の触覚と運動能力を回復させた事例を紹介した。この事例では、触覚の正確度は90％に達した。

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脳コンピューターインターフェースの分野で最も人気のある企業は、シリコンバレーのアイアンマン、マスク氏が所有する Neuralink です。

2020年8月29日北京時間午前6時40分、Neuralinkは最新のウェアラブルデバイスLINK V0.9と手術用ロボットを披露する記者会見を開催し、3匹の子豚と現場でのリアルタイム神経活動のデモンストレーションを通じて、Neuralinkの脳コンピューターインターフェース技術の実際の応用プロセスを実演しました。

マスク氏は電気自動車、脳コンピューターインターフェース、火星旅行などの分野で非常に先駆的であるにもかかわらず、大いに期待されていたニューラリンクの発表会で、マスク氏が現地でデモンストレーションを行うよう招待した人々はやはり人間ではなく、脳コンピューターインターフェース技術の難しさがうかがえる。

上記の 3 つの例はすべて「侵襲的脳コンピューターインターフェース」に属し、つまり、電極を人間の脳に埋め込む必要があるのに対し、対応する「非侵襲的脳コンピューターインターフェース」では、信号収集のために人間の頭皮に電極を配置するだけであることに留意してください。

後者について語るとき、私たちは中国の起業家、シャンダ・グループの創設者である陳天橋氏を避けて通ることはできません。

脳コンピューターインターフェースに関して、陳天橋氏は「非侵襲性脳コンピューターインターフェース」に重点を置いています。 2020年10月、上海にTCCI（陳天橋・羅千千研究所）初の「脳科学フロンティア実験室」が完成し、中国と米国の脳科学研究の最新成果も展示された。その中でも、嗅覚を使って夢をコントロールするなど、脳科学分野の研究は目を見張るものがある。

実際、国内外の多くの企業が非侵襲的な研究を始めており、人工知能アルゴリズム、体外電極ステッカー、携帯電話アプリなどを利用して睡眠の質を検知し、睡眠の問題を解決する試みがすでに行われている。

どちらの方法が最初に世間に認知されるかはともかく、脳コンピューターインターフェース技術の発展は避けられない流れであるという事実は無視できない。