義手の制御の強化:正確なブレインコンピューターインターフェイスの進歩

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ドイツ霊長類センターの神経科学者らは、アカゲザルを使った研究で、脳とコンピューターのインターフェースの機能、ひいては神経人工装具の細かい運動能力をどのように改善できるかを研究した。 (画像:アンドレス・アグデロ・トロ)

ゲッティンゲンにあるドイツ霊長類センター、ライプニッツ霊長類研究所の研究者らは、アカゲザルを使った研究で脳とコンピューターのインターフェースのための新しい訓練プロトコルを開発した。この方法により、脳からの信号のみを使用して義手の正確な制御が可能になります。研究者らは、脳内のさまざまな手の姿勢を制御する神経信号がこの制御にとって主に重要であり、以前に想定さ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示すことができました。この結果は、神経義手の微調整を改善するために不可欠であり、麻痺した患者の可動性の一部またはすべてを取り戻すことができる可能性があります。

買い物袋を運ぶ、針の穴に糸を引くなど、力強く正確に握ることは私たちの日常生活の一部です。私たちは、たとえば対麻痺や、進行性の筋麻痺を引き起こす ALS などの病気によって手が使えなくなったときに初めて、手の大切さに気づきます。

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プロテーゼを研究してきました。これらの義手、義手、義足は、障害を持つ人々に可動性を取り戻す可能性があります。損傷した神経接続は、脳からの信号を解読して動きに変換するブレインコンピューターインターフェースを介して橋渡しされ、プロテーゼを制御できるようになります。しかしこれまで、義手には日常生活に必要な細かい運動能力が欠けていました。

ドイツ霊長類センター神経生物学研究室の科学者で、この研究の筆頭著者であるアンドレス・アグデロ・トロ氏は、「プロテーゼがどれだけうまく機能するかは、主にプロテーゼを制御するコンピューター・インターフェースによって読み取られる神経データに依存する」と述べた。 「腕と手の動きに関するこれまでの研究は、つかむ動きの速度を制御する信号に焦点を当ててきました。私たちは、手の姿勢を表す神経信号が神経人工装具の制御に適しているかどうかを知りたかったのです。」

この研究では、研究者らはアカゲザル（Macaca mulatta）を使って研究を行った。人間と同様に、彼らは高度に発達した神経系と視覚系、そして顕著な運動能力を持っています。このため、掴み動作の研究に特に適しています。

主な実験の準備として、科学者らは2頭のアカゲザルに、画面上で仮想アバターの手を動かすよう訓練した。この訓練段階では、サルは自分の手で手の動きを実行すると同時に、対応する仮想の手の動きを画面上で見ました。サルが作業中に着用していた磁気センサー付きのデータ グローブは、動物の手の動きを記録しました。

サルが課題を学習すると、次のステップではグリップを「想像」することで仮想手を制御できるように訓練されました。手の動きの制御に特に関与する皮質脳領域のニューロン集団の活動が測定されました。研究者らは、手と指のさまざまな姿勢を表す信号に焦点を当て、神経データを動きに変換するブレイン コンピューター インターフェースのアルゴリズムを、対応するプロトコルに適合させました。

「古典的なプロトコルから逸脱して、私たちはアルゴリズムを適応させて、動きの目的地だけでなく、そこに到達する方法、つまり実行経路も重要になるようにしました」とアンドレス・アグデロ・トロ氏は説明しました。 「これにより、最終的に最も正確な結果が得られました。」

その後、研究者らはアバターの手の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実行されたことを示すことができました。

「私たちの研究では、手の姿勢を制御する信号が神経プロテーゼの制御に特に重要であることを示すことができました」と、神経生物学研究所の所長であり、この研究の上級著者であるハンスヨルグ・シャーバーガー氏は述べた。 「これらの結果は、将来の脳とコンピューターのインターフェースの機能を向上させるために使用でき、ひいては神経プロテーゼの細かい運動能力も向上させることができます。」

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