麻痺した身体も動く、皮質脊髄路インタフェースを開発：神経細胞の発火率を脊髄刺激に変換

新潟大学は2023年3月7日、脳と脊髄をつなぐ皮質脊髄路の役割を持つインタフェースを開発し、脊髄損傷モデルサルに用いることで、麻痺（まひ）した手の力の調整能力を再獲得させることに成功したと発表した。

[半田翔希，EE Times Japan]

　新潟大学は2023年3月7日、大脳皮質と脊髄間をつなぐ皮質脊髄路の役割を持つ皮質脊髄路インタフェースを開発し、脊髄損傷モデルサルに用いることで、麻痺（まひ）した手の力の調整能力を再獲得させることに成功したと発表した。今回の発表は、同大学大学院 歯科総合研究科 客員教授の西村幸男氏がプロジェクトリーダーを務める「東京都医学総合研究所 脳機能再建プロジェクト」の研究成果である。

　同技術を用いることで、脊髄損傷による運動麻痺を持つ患者が、再び自分の意思で身体を動かし、物体の重さや柔らかさに合わせた力の調節能力を取り戻せるようになることが期待される。

神経細胞の発火率を脊髄刺激に変換

　人間は、日常生活の中でモノを持ち上げる際、脳（大脳皮質）でモノの重量や硬度を認識し、その重量や硬度に見合うように力を調節している。この調節は、皮質脊髄路という大脳皮質と脊髄をつなぐ神経経路の活動の量によって行われる。仮に、脊髄損傷などで皮質脊髄路が切断されると、大脳皮質からの信号が脊髄に伝わらないため、力の生成および調整ができなくなる。一方で、脊髄の損傷部分の上位にある大脳皮質や下位にある脊髄と筋は、損傷していないため、大脳皮質と脊髄を再結合させることができれば、失われた運動機能を回復できる可能性がある。

　同研究グループは、この点に着目し、力の調節能力を担っている皮質脊髄路の機能を持ったコンピュータによる皮質脊髄路インタフェースを開発した。同技術は、大脳皮質の神経細胞の発火率（活動の程度）を、脊髄への電気刺激の刺激強度と刺激周波数にリアルタイムに変換する。

皮質脊髄路インタフェースの概要［クリックで拡大］ 出所：新潟大学

　検証では、右上肢が麻痺している2頭の脊髄損傷モデルサル（以下、サル）を作成／使用した。サルには、右上肢の運動を支配する左大脳皮質一次運動野の領域に電極を埋め込んだ。さらに、右上肢の筋活動を生成するために、脊髄損傷の下位にある頚髄膨大部の背部に電気刺激用の電極を埋め込んだ。

　はじめに、脊髄への電気刺激による手の力の調整能力を調査した。結果、サルの麻痺した右上肢は、脊髄膨大部への電気刺激により、麻痺した前腕の複数筋の活動が誘発され、手首の力が屈曲から尺屈の方向への誘発が確認できた。また、脊髄への電気刺激の強度と誘発された力の間には、正の関係がみられた。

電気刺激による力の調整能・力の検証［クリックで拡大］ 出所：新潟大学

　次に、皮質脊髄路インタフェースの有無による力の調節能力の違いを比較した。皮質脊髄路インタフェースを適用していない場合は、脊髄への電気刺激がないために手の筋活動が生成されず、サルの手は麻痺したままだった。対して、皮質脊髄路インタフェースを活用した場合は、要求される力の大きさに合わせて皮質脊髄路インタフェースの入力信号に使われる一次運動野の神経活動に変調が見られた。その変調により、脊髄刺激の強度と周波数が調節され、要求された力の大きさに依存して麻痺していた手首関節の力の大きさの制御できた。力の大きさに関連した活動を示す神経細胞の数は、皮質脊髄路インタフェースを適用する前に比べて2.6倍に増加し、要求された力の大きい場合にその数がより増大した。

皮質脊髄路インタフェースの有無による力の調節能力の違い［クリックで拡大］ 出所：新潟大学