脳と脊髄の歩行中枢を人工的に繋ぎ、歩行を補助する技術

コンピュータによる脊髄迂回路の概念図

　自然科学研究機構生理学研究所の西村幸男准教授を中心とした研究グループは14日、脳から上肢へ伝えられる信号をコンピュータで読み取り、その信号に合わせて脊髄を磁気刺激することで、脊髄の一部を迂回して人工的に脳と脊髄の歩行中枢を繋ぎ、下肢の歩行運動パターンを随意的に制御することに世界で初めて成功したと発表した。

　歩行の際の複雑な筋肉の運動は、脊髄に存在する下肢歩行中枢によって制御されている。そのため、下肢歩行中枢に指令を送る脳や、下肢歩行中枢そのものの機能に問題がなくとも、脊髄損傷により脳と下肢歩行中枢の繋がりが切れると、歩行に障害をきたす原因となる。

　そこで西村氏らは、脳活動の情報が内在している生体信号をコンピュータで読み取り、脳と下肢歩行中枢を人工的に接続して伝えれば、脊髄の一部を迂回して下肢の歩行運動パターンを随意的に制御できると考えた。

　今回、同グループは、神経や四肢に障害のない人を対象に、手や腕の筋肉から脳活動の情報が内在する電気的信号を記録するとともに、それをコンピュータで読み取り、信号に合わせた刺激パルスをリアルタイムで磁気刺激として非侵襲的に、つまり手術など行なわず、脊髄へ送るという、コンピュータ脊髄迂回路を形成し、脳と下肢歩行中枢を人工的に神経接続することに成功した。

　実験では、この脊髄迂回路で健常者の下肢の歩行運動パターンを意図的に誘発し、止めることができた。また、その歩行サイクルを速めたり遅くすることも制御可能だと分かった。

　現段階では、脚が障害物にぶつかった際の回避運動や立位姿勢の保持は制御できないが、臨床応用に向け研究開発を進める。

　この研究結果は、The Journal of Neuroscience誌(8月13日号オンライン)に掲載された。

コンピュータによる脊髄迂回路の内容。コンピュータによる脊髄迂回路は、脳から上肢筋への信号を筋電図として読み取る記録部(青色)、記録された信号を処理して刺激パルスに作り変える制御部(橙色)、および生成された刺激パルスを皮膚表面に当てる磁気コイルで刺激を行なう刺激部(赤色)で構成される。記録及び刺激は非侵襲性で、腰髄へ磁気刺激することにより下肢の歩行中枢を制御した

コンピュータを介した脊髄迂回路による下肢歩行運動パターンの制御。Aは被験者が上肢の腕振り運動中にコンピュータによる脊髄迂回路をオフした場合。被験者が腕振り運動をしていてもリラックスしている下肢には何も運動は出現しない。Bはコンピュータによる脊髄迂回路をオンにして、上肢の腕振り運動を被験者が意図的に行ない、その筋電位信号によって磁気刺激を制御した場合。被験者には下肢をリラックスするように伝えているが、コンピュータによる脊髄迂回路によって、腕の運動に合わせて下肢の歩行運動が生じる。この結果はコンピュータによる脊髄迂回路によって下肢の歩行運動パターンを意図的に制御できることを意味している