義手制御の向上：高精度脳-コンピュータインターフェースの進展

モーションデザイン インサイダー

レーザスザルを用いた研究で、ドイツ霊長類センターの神経科学者たちが、脳-コンピュータインターフェースの機能性、ひいては神経義肢の微細運動技能をどう改善できるかを調査しました。（画像：Andres Agudelo-Toro）

新しい訓練プロトコルで精密制御を実現

ドイツ霊長類センター（ライプニッツ霊長類研究所、ゲッティンゲン）の研究者たちは、レーザスザルを用いた研究で、脳-コンピュータインターフェースの新しい訓練プロトコルを開発しました。この手法により、脳からの信号のみを用いて義手を精密に制御することが可能になります。研究者たちは、脳内で異なる手の姿勢を制御する神経信号が、この制御において主要な重要性を持つことを示しました。これは、以前想定されていた動きの速度を制御する信号ではないのです。この結果は、麻痺患者に移動能力の一部または全部を取り戻す可能性のある神経義手の微細制御を改善するために不可欠です。

日常生活における把持の重要性

買い物袋を運ぶ、針の穴に糸を通す——力把持と精密把持は私たちの日常生活の一部です。脊髄損傷やALS（筋萎縮性側索硬化症）のような進行性筋麻痺を引き起こす疾患により、手が使えなくなって初めてその重要性に気づきます。

患者を助けるため、科学者たちは数十年にわたり神経義肢を研究してきました。これらの人工手、腕、脚は、障害を持つ人々に移動能力を取り戻させる可能性があります。損傷した神経接続は、脳-コンピュータインターフェースによって脳からの信号をデコードし、動きに変換し、義肢を制御することで橋渡しされます。しかし、これまで手の義肢には日常生活で使用するために必要な微細運動技能が欠けていました。

「義肢がどれほどうまく機能するかは、それを制御するコンピュータインターフェースが読み取る神経データに主に依存します」と、ドイツ霊長類センター神経生物学研究室の科学者で研究の筆頭著者であるAndres Agudelo-Toro氏。「これまでの腕と手の動きに関する研究は、把持動作の速度を制御する信号に焦点を当ててきました。神経信号で手の姿勢を表すものが、神経義肢の制御により適しているかどうかを調べたかったのです。」

実験：仮想アバター手の制御

研究では、レーザスザル（Macaca mulatta）を使用しました。人間と同様に高度に発達した神経系と視覚系、顕著な微細運動技能を持つため、把持動作の研究に特に適しています。

メイン実験の準備として、科学者たちは2匹のレーザスザルを訓練し、画面上の仮想アバター手を動かさせました。この訓練フェーズでは、サルたちは自分の手で手の動作を行いながら、同時に画面上の対応する仮想手の動きを見ていました。サルたちが着用した磁気センサー付きデータグローブが、動物の手の動きを記録しました。

サルたちがタスクを学習すると、次に「グリップを想像する」ことで仮想手を制御するよう訓練されました。手の動きを制御する大脳皮質領域のニューロン集団の活動が測定されました。研究者たちは、異なる手と指の姿勢を表す信号に焦点を当て、脳-コンピュータインターフェースのアルゴリズム（神経データを動きに変換する）を対応するプロトコルで適応させました。

「従来のプロトコルから逸脱し、動きの目的地だけでなく、そこへどう到達するか（実行経路）も重要になるようアルゴリズムを適応させました」とAgudelo-Toro氏。「これが最終的に最も正確な結果をもたらしました。」

研究者たちはその後、アバター手の動きと以前記録した実際の手のデータを比較し、これらが同等の精度で実行されたことを示しました。

「本研究では、手の姿勢を制御する信号が神経義肢の制御に特に重要であることを示しました」と、神経生物学研究室長で上級著者のHansjörg Scherberger氏。「これらの結果は、将来の脳-コンピュータインターフェースの機能性を改善し、ひいては神経義肢の微細運動技能を向上させるために活用できます。」

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