神経補綴(神経補綴とも呼ばれる)は、神経科学および生物医学工学に関連する分野であり、神経補綴の開発に携わる。神経補綴は、失われた生物学的機能を補うための装置ではなく、脳とコンピュータを接続する脳コンピュータインターフェースと対比されることがある。 [ 1 ]
神経補綴物は、怪我や病気によって損傷した可能性のある運動、感覚、認知様式を代替する一連の装置です。 人工内耳はそのような装置の一例です。これらの装置は、蝸牛で行われる周波数分析をシミュレートしながら、鼓膜とアブミ骨の機能を代替します。外部ユニットのマイクが音を収集して処理し、処理された信号がインプラントユニットに転送され、微小電極アレイを介して聴神経を刺激します。[ 2 ]損傷した感覚を置き換えたり増強したりすることで、これらの装置は障害者の生活の質を向上させることを目的としています。
これらの埋め込み型デバイスは、神経科学者が脳とその機能についてより深く理解するためのツールとして、動物実験でも広く用いられています。被験者の脳に埋め込まれた電極から発せられる脳の電気信号を無線でモニタリングすることで、デバイスが結果に影響を与えることなく被験者を研究することができます。脳内の電気信号を正確に探査・記録することで、特定の機能を担う局所的なニューロン集団間の関係性をより深く理解するのに役立つでしょう。[ 3 ]
神経インプラントは、特に脳、眼、蝸牛の周囲において、侵襲性を最小限に抑えるため、可能な限り小型に設計されています。これらのインプラントは通常、対応する義肢と無線で通信します。さらに、電力は皮膚を介した無線電力伝送によって供給されています。インプラント周囲の組織は通常、温度上昇に非常に敏感であるため、組織損傷を防ぐために消費電力を最小限に抑える必要があります。[ 4 ]
現在最も広く使用されている神経補綴物は人工内耳であり、2019年時点で世界中で736,900台以上が使用されています。[ 5 ]
最初の人工内耳は1957年に作られました。他の画期的な出来事としては、1961年の片麻痺の足下垂に対する初の運動補助器具、1977年の最初の聴性脳幹インプラント、1981年の成体ラットの脊髄への末梢神経橋の移植などがあります。1988年には、腰椎前根インプラントと機能的電気刺激(FES)によって、下半身麻痺患者のグループがそれぞれ起立と歩行を可能にしました。[ 6 ]
脳に埋め込む電極の開発における初期の難しさは、電極を確実に配置することであった。当初は、針を使って電極を挿入し、目的の深さで針を折るという方法で行われていた。 [ 7 ]最近のシステムでは、パーキンソン病の症状を緩和する脳深部刺激療法で使用されるものなど、より高度なプローブが使用されている。 どちらの方法にも、脳は頭蓋骨の中で自由に浮いているのに対し、プローブは浮いておらず、低速の自動車事故などの比較的小さな衝撃でも損傷を受ける可能性があるという問題があった。ミシガン大学のケンサル・ワイズなど一部の研究者は、「脳の外側の表面に取り付ける電極」を頭蓋骨の内側の表面に固定することを提案している。[ 8 ]しかし、たとえ成功したとしても、固定では脳深部刺激療法(DBS)などの脳の深部に挿入することを目的としたデバイスの問題は解決されないだろう。
視覚補綴装置は、視覚系のニューロンを電気的に刺激することで、イメージの感覚を作り出すことができます。カメラからインプラントに無線で送信され、インプラントは電極アレイに画像をマッピングします。電極アレイは600~1000箇所を効果的に刺激する必要があり、網膜の視神経を刺激することでイメージを作り出します。刺激は光信号の経路上の任意の場所で行うことができます。イメージを作り出すために視神経を刺激することも、視覚皮質を刺激することもできますが、臨床試験では網膜インプラントが最も効果的であることが証明されています。[ 9 ]
視覚補綴システムは、映像を取得・処理する外部(または埋め込み型)画像システムで構成されています。電力とデータは外部ユニットからインプラントに無線で送信されます。インプラントは受信した電力/データを用いてデジタルデータをアナログ出力に変換し、微小電極を介して神経に送ります。[ 10 ]
光受容器は、光子を電気信号に変換する特殊なニューロンです。網膜は、眼球の裏側を覆う厚さ約200μmの多層神経構造です。処理された信号は視神経を通って脳に送られます。この経路の一部が損傷すると、失明につながる可能性があります。
失明は、光路(角膜、房水、水晶体、硝子体)の損傷によって引き起こされる可能性があります。これは、事故や病気が原因で起こることがあります。光受容体の喪失に続発する失明につながる網膜変性疾患の中で、最も一般的な2つは、加齢黄斑変性(AMD)と網膜色素変性症(RP)です。
永久的に埋め込まれる人工網膜の最初の臨床試験は、3500個の要素を持つパッシブマイクロフォトダイオードアレイを備えたデバイスでした。[ 11 ]この試験は、2000年にOptobionics社で実施されました。2002年に、Second Sight Medical Products社(カリフォルニア州シルマー)は、16個の電極を備えたプロトタイプの網膜上インプラントの臨床試験を開始しました。被験者は、RPによって裸光知覚を持つ6人でした。被験者は、3つの一般的な物体(皿、カップ、ナイフ)を統計的に偶然を上回るレベルで区別する能力を示しました。Retina Implant GMbH(ドイツ、ロイトリンゲン)によって開発されたアクティブな網膜下デバイスの臨床試験は2006年に開始されました。1500個のマイクロフォトダイオードを備えたICが網膜の下に埋め込まれました。マイクロフォトダイオードは、フォトダイオードに入射する光の量に基づいて電流パルスを変調するために使用されます。[ 12 ]
視覚補助装置の開発に向けた画期的な実験研究は、大きな表面電極のグリッドを用いた皮質刺激によって行われました。1968年、ジャイルズ・ブリンドリーは52歳の盲目の女性の視覚皮質表面に80個の電極を備えた装置を埋め込みました。刺激の結果、患者は視野の40箇所で閃光を視認できるようになりました。 [ 13 ] この実験は、埋め込まれた電気刺激装置がある程度視力を回復できることを示しました。視覚皮質補助装置に関する最近の研究では、ヒト以外の霊長類における視覚皮質刺激の有効性が評価されています。この実験では、訓練とマッピングのプロセスを経て、サルは光刺激と電気刺激の両方で同じ視覚サッケード課題を実行できるようになりました。[ 14 ]
高解像度人工網膜の要件は、この装置の恩恵を受ける視覚障害者のニーズと要望から生まれるべきです。これらの患者との交流から、杖なしでの移動、顔認識、読書が主な必須機能であることが示唆されています。[ 15 ]
完全に機能する視覚補綴装置の成果とその意義は刺激的です。しかし、課題は深刻です。網膜に高品質の画像をマッピングするには、多数の微小電極アレイが必要です。また、画像の品質は、無線リンクを介してどれだけの情報を送信できるかに依存します。さらに、この大量の情報は、組織に損傷を与える可能性のある大きな電力消費なしに、インプラントで受信・処理されなければなりません。インプラントのサイズも大きな懸念事項です。どのようなインプラントでも、侵襲性が最小限であることが望まれます。[ 15 ]
この新技術を用いて、ドレクセル大学のカレン・モクソン、ニューヨーク州立大学のジョン・チャピン、デューク大学のミゲル・ニコレリスを含む複数の科学者が、高度な視覚補助装置の設計に関する研究を開始しました。他の科学者たちは、彼らの研究の焦点に異議を唱え、高密度に配置された微細ワイヤーの基礎研究と設計は、研究を進めるには十分に高度ではないと主張しました。
聴覚補聴器には、主に3つのカテゴリーがあります。CI電極アレイは蝸牛に埋め込まれ、ABI電極アレイは下部脳幹の蝸牛神経核複合体を刺激し、AMIは下丘の聴神経ニューロンを刺激します。人工内耳は、これらの3つのカテゴリーの中でも特に成功を収めています。現在、Advanced Bionics Corporation、Cochlear Corporation、Med-El Corporationが、人工内耳の主要な商業的供給業者です。
音を増幅して外耳を通して送る従来の補聴器とは異なり、人工内耳は音を拾って処理し、電気エネルギーに変換して聴神経に送ります。人工内耳システムのマイクは外部環境からの音を受信し、プロセッサに送信します。プロセッサは音をデジタル化し、個々の周波数帯域にフィルタリングします。フィルタリングされた周波数帯域は、蝸牛内の適切な音調領域に送られ、それぞれの周波数帯域にほぼ相当します。
1957年、フランスの研究者A. DjournoとC. Eyriesは、D. Kayserの協力を得て、ヒトの聴神経を直接刺激する方法について初めて詳細な記述を行いました。[ 16 ] 被験者は、刺激中にさえずりのような音が聞こえると報告しています。1972年には、House Ear Clinicで成人向けの最初のポータブル人工内耳システムが埋め込まれました。米国食品医薬品局(FDA)は、1984年11月にHouse-3M人工内耳の販売を正式に承認しました。[ 17 ]
人工内耳の性能向上は、インプラント刺激の物理的および生物物理学的限界を理解するだけでなく、脳のパターン処理要件を理解することにも依存します。現代の信号処理は、最も重要な音声情報を表現すると同時に、脳に必要なパターン認識情報も提供します。脳におけるパターン認識は、音声の重要な特徴を識別する上で、アルゴリズムによる前処理よりも効果的です。補聴器の性能を最大限に高めるには、工学、信号処理、生物物理学、認知神経科学の適切なバランスを組み合わせることが必要でした。[ 18 ]
人工内耳は、先天性の聴覚障害を持つ子供の音声言語発達の獲得にも使用されており、早期のインプラント(生後2~4歳に達する前)では顕著な成功を収めています。[ 19 ]世界中で約8万人の子供が人工内耳のインプラントを受けています。
聴覚改善を目的とした同時電気音響刺激(EAS)の組み合わせという概念は、 1999年にドイツのフランクフルト大学病院のC. von IlbergとJ. Kieferによって初めて提唱されました。 [ 20 ] 同年、最初のEAS患者に人工内耳が埋め込まれました。2000年代初頭から、FDAはコクレア社の「ハイブリッド」と呼ばれるデバイスの臨床試験に関与しています。この試験は、低周波聴力が残存する患者における人工内耳の有用性を検証することを目的としています。「ハイブリッド」は、標準的な人工内耳よりも短い電極を使用します。電極が短いため、蝸牛の基底部、ひいては高周波音調領域を刺激します。理論的には、これらのデバイスは、音声周波数帯域の知覚を失い、弁別能力が低下している、重度の低周波残存聴力を持つ患者に有益となると考えられます。[ 21 ]
サウンドを生成するには、「音声合成」を参照してください。
SCS(脊髄刺激装置)は、電極と発電機という2つの主要部品で構成されています。神経障害性疼痛に対するSCSの技術的目標は、刺激誘発性のチクチク感(いわゆる「知覚異常」)によって患者の疼痛部位を覆い隠すことです。この重複は疼痛緩和に必要(ただし十分ではない)であるためです。[ 22 ]知覚異常の範囲は、どの求心性神経が刺激されるかによって異なります。脊髄の軟膜表面に近い背側正中線電極によって最も容易に刺激されるのは、尾側部にわたる広い知覚異常を引き起こす大きな脊柱求心性神経です。
古代では、電気を発生させる魚が痛みを和らげる電気ショック装置として使われていました。治療師たちは、頭痛を含む様々な種類の痛みを治療するために、魚の発生特性を利用するための具体的かつ詳細な技術を開発していました。生きた電気ショック発生装置を使用するのは扱いにくいため、適切な時間、対象に治療を施すにはかなりの技術が必要でした(魚をできるだけ長く生かしておくことも含みます)。電気鎮痛法は、電気を意図的に応用した最初の例でした。19世紀までに、ほとんどの西洋の医師は、携帯型発電機による電気療法を患者に提供していました。[ 23 ]しかし、1960年代半ば、電気刺激の未来を決定づける3つの出来事が起こりました。
電極の設計オプションには、サイズ、形状、配置、数、電極の割り当て、そして電極の埋め込み方法が含まれます。パルスジェネレータの設計オプションには、電源、標的の解剖学的配置位置、電流源または電圧源、パルスレート、パルス幅、そして独立したチャンネル数が含まれます。プログラミングオプションは非常に多く(4接点電極では50通りの機能的双極子の組み合わせが提供されます)、現在のデバイスはコンピュータ化された装置を用いて最適なオプションを見つけ出します。この再プログラミングオプションは、姿勢の変化、電極の移動、疼痛部位の変化、そして最適ではない電極配置を補正します。[ 25 ]
自律神経系の機能をサポートする機器には、膀胱制御用インプラントなどがあります。体性神経系においては、意識的な運動制御を支援する試みとして、機能的電気刺激や腰椎前根刺激装置などがあります。
脊髄損傷により下半身麻痺を呈する患者は、排尿困難に陥り、感染症を引き起こす可能性があります。1969年以降、ブリンドリーは仙骨前根刺激装置を開発し、1980年代初頭以降、ヒト臨床試験で成功を収めました。[ 26 ]この装置は脊髄の仙骨前根神経節に埋め込まれ、外部送信機によって制御され、断続的な刺激を与えることで排尿機能を改善します。また、排便を補助し、男性患者においては持続的な完全勃起を可能にします。
仙骨神経刺激法は健常者の失禁のコントロールに用いられる関連治療法である。[ 27 ]
研究者たちは現在、四肢麻痺や筋萎縮性側索硬化症などの運動障害を持つ人々の運動能力と外界とのコミュニケーション能力の回復を支援する運動神経補綴物の研究と開発に取り組んでいます。研究により、線条体が運動感覚学習において重要な役割を果たすことが明らかになっています。これは、実験用ラットが連続して課題を実行した後に線条体の発火頻度が上昇したことで実証されました。
脳からの電気信号を捕捉するため、科学者たちは1平方センチメートル未満の微小電極アレイを開発しました。これは頭蓋骨に埋め込むことで電気活動を記録し、記録された情報を細いケーブルを通して伝達します。数十年にわたるサルを用いた研究の結果、神経科学者たちはニューロン信号を動作へと解読することに成功しました。この解読作業を完了させた研究者たちは、患者がコンピューターのカーソルを動かせるインターフェースを開発し、患者が動作について考えることで制御できるロボット義肢や外骨格の開発に着手しています。
運動神経補綴装置を支える技術はまだ初期段階にあります。研究者や研究参加者は、補綴装置の様々な使用方法を実験し続けています。例えば、患者に拳を握ることを意識させるのと、指を叩くことを意識させるのでは、結果が異なります。補綴装置に使用されているフィルターも微調整が進められており、将来的には、ケーブルではなく無線で頭蓋内から信号を送信できるインプラントの開発が期待されています。
これらの進歩に先立ち、フィリップ・ケネディ(エモリー大学およびジョージア工科大学)は、麻痺のある患者が脳活動を調節することで単語を綴ることができる、やや原始的ではあるものの実用的なシステムを開発していました。ケネディの装置は2つの神経栄養電極を用いていました。1つは正常な運動皮質領域(例えば指の表象野)に埋め込まれ、文字群の中でカーソルを移動させるために使用されました。もう1つは別の運動皮質領域に埋め込まれ、選択を示すために使用されました。[ 28 ]
失われた腕を、通常は胸筋につながる神経を利用したサイバネティックな代替品で置き換える開発が進められている。これらの腕は可動範囲が若干制限されており、圧力と温度を検知するセンサーを搭載する予定であると報じられている。[ 29 ]
ノースウェスタン大学とシカゴリハビリテーション研究所のトッド・クイケン博士は、切断患者が電動義肢を制御し、感覚フィードバックを取り戻すための 標的再神経支配と呼ばれる方法を開発しました。
2002年、現在ではブレインゲートのセンサー部分となっている100個の電極からなる多電極アレイが、科学者ケビン・ワーウィックの正中神経線維に直接埋め込まれました。記録された信号は、ワーウィックの同僚であるピーター・カイバードが開発したロボットアームの制御に使用され、ワーウィック自身の腕の動きを模倣することができました。[ 30 ]さらに、神経に微弱な電流を流すことで、インプラントを介して一種の感覚フィードバックが提供されました。これにより、手の第一虫状筋が収縮し、この動きが知覚されました。[ 30 ]
2014年6月、下半身麻痺のアスリート、ジュリアーノ・ピントは、脳インターフェースを備えた電動外骨格を使用して、2014 FIFAワールドカップの式典での始球式を行った。 [ 31 ]この外骨格は、ブラジル政府の資金提供を受けたミゲル・ニコレリス研究所のウォーク・アゲイン・プロジェクトによって開発された。[ 31 ]ニコレリスは、義肢からのフィードバック(例えば、義足が地面に触れるときに感じる圧力の情報)はバランスを取るために必要だと述べている。[ 32 ]彼は、脳インターフェースによって制御されている手足が、命令を出すのと同時に動いているのを人が見ることができる限り、繰り返し使用するうちに脳は外部から動力を与えられた手足を同化し、それを(位置認識とフィードバックの観点から)体の一部として認識し始めることを発見した。[ 32 ]
MITバイオメカトロニクスグループは、生体筋肉と筋電義肢を高い信頼性で神経的に接続することを可能にする、新たな切断パラダイムを設計しました。主働筋・拮抗筋神経インターフェース(AMI)と呼ばれるこの手術パラダイムにより、ユーザーは義肢を単なる付属肢に似たものとして使用するのではなく、自身の体の延長として感知し、制御することができます。通常の主働筋と拮抗筋の関係(例:上腕二頭筋と上腕三頭筋)では、主働筋が収縮すると拮抗筋が伸張し、拮抗筋が主働筋と伸張すると拮抗筋が伸張するため、ユーザーは義肢を見なくてもその位置を知ることができます。標準的な切断手術では、主働筋と拮抗筋(例:上腕二頭筋と上腕三頭筋)が互いに分離されているため、感覚フィードバックを生成する動的な収縮・伸張メカニズムが機能しません。そのため、現在の切断患者は義肢が接する物理的な環境を全く感じ取ることができません。さらに、200年以上も前から行われている現在の切断手術では、患者の3分の1が断端の痛みのために再手術を受けています。
AMIは、もともと主働筋と拮抗筋の関係にあった2つの筋肉で構成されています。切断手術中、これら2つの筋肉は切断された断端内で機械的に連結されます。[ 33 ]患者の関節自由度ごとに1組のAMI筋肉を作成し、複数の人工関節の制御と感覚を確立することができます。この新しい神経インターフェースの予備試験では、AMI患者は人工関節をより制御できることを実証し、報告しています。さらに、従来の切断を受けた被験者と比較して、階段を歩くときにより自然な反射行動が観察されました。[ 34 ] AMIは、2つの血行除去された筋肉移植片を組み合わせて作ることもできます。これらの筋肉移植片(またはフラップ)は、神経支配が除去され(元の神経から切り離され)、体の一部から取り出され、切断される手足で切断された神経によって再び神経支配される予備の筋肉です。[ 33 ]再生筋皮弁を使用することで、極度の萎縮や損傷を経験した筋組織を持つ患者や、神経腫の痛み、骨棘などの理由で切断肢の再手術を受ける患者に対してAMIを作成することができます。
正常な生物学的シナプス信号を模倣する人工器官を設計するには、置換対象となる正常に機能する組織の非線形入出力(I/O)パラメータの正確な特性評価が極めて重要です。[ 35 ] [ 36 ]これらの信号の数学的モデリングは、「ニューロンとそのシナプス接続を構成する細胞/分子メカニズムに固有の非線形ダイナミクスのため」複雑な作業です。[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]ほぼすべての脳ニューロンの出力は、どのシナプス後入力がアクティブであるか、および入力がどのような順序で受信されるかに依存します(それぞれ空間的および時間的特性)。[ 40 ]
I/Oパラメータが数学的にモデル化されると、通常の生体信号を模倣するように集積回路が設計されます。人工器官が通常の組織と同様に機能するには、入力信号を通常の組織と同様に 処理する必要があります。このプロセスは「変換」と呼ばれます。
脳に直接埋め込むためには、埋め込み型デバイスを非常に小型にする必要があります。およそ25セント硬貨ほどの大きさです。微小埋め込み型電極アレイの一例として、ユタアレイが挙げられます。[ 41 ]
無線制御装置は頭蓋骨の外側に取り付けることができ、ポケットベルよりも小さくする必要があります。
消費電力はバッテリーのサイズを左右します。埋め込み型回路の最適化は電力需要を削減します。現在、埋め込み型デバイスにはオンボード電源が必要です。バッテリーが切れると、ユニットを交換するために手術が必要になります。バッテリー寿命が長いほど、バッテリー交換に必要な手術回数が少なくなります。手術やワイヤーなしでインプラントバッテリーを充電する方法の一つとして、電動歯ブラシが挙げられます。[ 42 ]これらのデバイスは、誘導充電を利用してバッテリーを充電します。もう一つの方法は、無線周波数識別タグのように、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換することです。
認知補助装置は脳に直接埋め込まれるため、生体適合性は克服すべき非常に重要な課題です。装置のハウジングに使用される材料、電極材料(酸化イリジウム[ 43 ]など)、および電極絶縁体は、長期の埋め込みを考慮した適切な材料を選択する必要があります。準拠規格:ISO 14708-3 2008-11-15、外科用インプラント - 能動型埋め込み型医療機器 パート3:埋め込み型神経刺激装置。
血液脳関門を通過すると、病原体やその他の物質が体内に入り込み、免疫反応を引き起こす可能性があります。脳には独自の免疫システムがあり、体の他の部分の免疫システムとは異なる働きをします。
日常生活における個人の神経信号を継続的に記録することを可能にする無線伝送技術の開発が進められています。これにより、医師や臨床医はより多くのデータを取得できるようになり、てんかん発作などの短期的な事象を確実に記録できるようになり、神経疾患のより適切な治療と病態把握が可能になります。
スタンフォード大学では、霊長類の脳神経細胞を常時記録できる小型軽量の装置が開発されました。[ 44 ]この技術により、神経科学者は実験室という管理された環境の外で脳を研究することも可能になりました。
神経補綴装置と外部システム間のデータ伝送方法は、堅牢かつ安全でなければなりません。ワイヤレス神経インプラントは、他のITシステムと同様にサイバーセキュリティ上の脆弱性を抱える可能性があり、 「ニューロセキュリティ」という用語が生まれました。ニューロセキュリティ侵害は、医療プライバシーの侵害とみなされる可能性があります。
デバイスの埋め込みには多くの課題があります。第一に、正しいシナプス前入力をデバイス上の正しいシナプス後入力に接続する必要があります。第二に、デバイスからの出力を目的の組織に正しく向ける必要があります。第三に、脳がインプラントの使い方を学習する必要があります。脳の可塑性に関する様々な研究は、適切な動機付けに基づいて設計された訓練によってこれが可能になる可能性を示唆しています。
局所場電位(LFP)は、組織体積内のすべての樹状突起シナプス活動の総和に関連する電気生理学的信号です。最近の研究では、目標と期待値は、神経認知補助具に使用できる高次認知機能であることが示唆されています。 [ 45 ] また、ライス大学の科学者たちは、ナノ粒子が付着している表面をわずかに変化させることで、ナノ粒子の光誘起振動を調整する新しい方法を発見しました。同大学によると、この発見は、分子センシングから無線通信に至るまで、光技術の新たな応用につながる可能性があります。彼らは超高速レーザーパルスを用いて、金ナノディスク内の原子を振動させました。[ 46 ]
克服すべきハードルの一つは、電極の長期埋め込みである。電極が物理的な衝撃によって動いたり、脳が電極の位置に応じて動いたりすると、電極が異なる神経を記録する可能性がある。最適な信号を維持するには、電極の調整が必要である。複数の電極アレイを個別に調整するのは非常に面倒で時間のかかる作業である。自動調整電極の開発は、この問題を軽減するだろう。アンダーソンの研究グループは現在、ユー・チョン・タイの研究室およびバーディックの研究室(いずれもカリフォルニア工科大学)と共同で、電気分解ベースのアクチュエータを用いて、慢性的に埋め込まれた電極アレイ内の電極を独立して調整するシステムの開発を進めている。[ 47 ]
画像誘導手術は脳インプラントを正確に配置するために使用されます。[ 45 ]