2010年の夏のことだ。当時オハイオ大学の1年生だったイアン・バークハートは、学年末の休暇を利用して、友人たちとノースカロライナ州の海岸沖に旅行に来ていた。彼は波の高さを見極め、そこに向かって飛び込んだ。泳ぎは得意なほうだったが、海は予測がつかない。バークハートの体は波に押されて砂浜に叩きつけられ、彼の全身の感覚を奪ってしまった。
動けなくなったら、あとは波にもまれるだけだ。異変に気づいた友人たちがすぐに海から引き上げ、バークハートを近くの病院に運んだ。緊急手術を受けて容体は安定したものの、医師からは「脊髄損傷」という診断を告げられた。歩けないことはもちろん、両腕も肩と上腕（二の腕）しか動かせず、全身の感覚がほとんどなくなっていた。
新たな生活に適応しようと何年も奮闘したバークハートは、オハイオ州にある非営利研究機関・バテル記念研究所の「NeuroLife」と呼ばれる実験プログラムに参加した。脳に小さなコンピューターチップを埋め込み、これによって腕の動きを向上させ、人工的に感覚を再現しようという試みだ。
大きな賭けだとはいえ、その可能性に賭けるだけの価値はあったと、バークハートは言う。「いろいろなことを考慮しました。でも、運動麻痺とずっと付き合っていく心の準備ができていなかったんです」
研究に参加してから6年が経ったいま、バークハートは徐々に感覚を取り戻し、ゲーム「ギターヒーロー」で速弾きできるほどに腕をコントロールできるようになっている。
脳と体を再びつなぐ
バークハートは14年に、オハイオ州立大学のウェクスナー医療センターでブレイン・コンピューター・インターフェース（BCI）の移植を受けた。このBCIは米粒より少し小さなチップで、随意運動（自らの意志に基づく運動）をつかさどる脳の一次運動野の電気信号をモニターしている。
重度の脊髄損傷が起きると、手足の動きを伝えるために脳から送られる信号や、手足から送られる感覚フィードバックが阻害されてしまう。バークハートの場合、重度のけがによって脳と四肢の間は完全に断絶したはずだった。
しかし、最新の神経科学の実験では、脊髄の「完全損傷」の多くで脊髄線維の束がいくつか生き残っていることが示唆されている。「わずかな線維の束でも、脳にそれなりの信号を伝達できます」と、バテル記念研究所の神経科学者パトリック・ガンザーは言う。
とはいえ、脳内で感覚や運動を表す電気信号が行き来していても、それらは体が麻痺している人が気づくには弱すぎる。体が何も感じられず、腕が動くこともない。
ガンザーらにとって、これが興味深い可能性を提起した。この微弱な信号を脳から抽出し、意味を解読して四肢に伝達すれば、脊髄をバイパスして脳と体を再びつなぐことができるのではないか。
当時ほかの研究者グループが、すでにロボット義手を使って運動機能を回復できることを実証していた。さらには脳を直接刺激することで、義手から得られた感覚の信号をユーザーに戻すことにも成功させていた。だが、この両方を同時に、しかも本人の腕を使ってこなすことは難しい。
ガンザーによると、問題は感覚と運動の信号が脳内でまぜこぜになることだった。運動や感覚の一つひとつに対し、それぞれ固有の信号が生成されるので、バークハートの脳内チップは約100個の信号を同時に受け取ることになる。
「わたしたち人間は、ほぼ同時に起きる運動と感覚の思考を分けています。これを実現することは大変な難題なのです」と、ガンザーは言う。
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2010年に重度の脊髄損傷を受けたイアン・バークハート。脳の運動皮質にチップを移植して、脳の電気信号をコンピューターに中継している。PHOTOGRAPH BY BATTELLE
1年で手の運動機能を部分的に回復
ガンザーらは、バークハートの脳をコンピューターに接続する精巧なシステムを考案した。
このシステムでは、まずバークハートの運動皮質に埋め込まれたチップが、頭蓋骨後部にあるポートを通じて電気信号を送り、その信号がコードを介して近くのPCに送られる。PCではプログラムが脳の信号を解読し、それらを「意図した運動」に対応する信号と「感覚」に対応する信号に分離する。意図した運動を表す信号はバークハートの前腕に巻き付けられた「電極バンド」に、感覚の信号は上腕に巻き付けた「振動バンド」に送信される。
当初はガンザーらは、バークハートの感覚ではなく、腕の運動機能を回復することに注力した。バークハートによると、最初のうちはなかなか進歩せず、どのように腕を動かそうとすればコンピューターに拾われる電気信号を発生させられるのか、学習する必要があったという。
「手を開いたり閉じたりするだけでも大変でした。けがをする前は、手を動かすために実際に何をしているのかなんて、考えたこともありませんでしたから」と、バークハートは振り返る。
だが1年もすると、手の運動能力を部分的に回復できた。さらに、腕をコントロールして「ギターヒーロー」の改造版をプレイするまでにそう時間はかからなかった（本来「ギターヒーロー」では、ギターのネック上のボタンを指で押さえながら、もう片方の手で弦をかき鳴らす必要があるが、改造版ではボタンを押さえるだけで音が出るようになっている）。
「曲を聴きながら画面に出てくる合図に目をやり、対応する指を動かすというマルチタスクが必要なゲームは、段違いの複雑さをもつ作業です」と、ガンザーは言う。
右手で物体に触れるバークハート。彼が手を動かそうとすると、右脳内で電気信号が発生し、コンピューターがその信号を処理する。PHOTOGRAPH BY BATTELLE
「触覚」を取り戻すために
バークハートによると、物体を動かせる能力は「素晴らしい」が、何かに触れているという感覚が得られない状態では限界もあったという。感覚のフィードバックなしで物体をつかむには、意識を集中させなければならないからだ。目で見ていないと、ちゃんと物を掴めているかすらわからない。
「これが本当に難しいんです。後ろにある物やバッグの中にある物をつかみたいときなどは特に」と、バークハートは言う。また、物が見えたとしても力の入れ具合は制御できないので、デリケートな物体を扱う際には困難が伴う。
システムに「物体に触れている」という感覚を追加するのは、さらに難しいことがわかった。神経科学者たちはこれまで、ロボット義手のセンサーから来るデータを脳内のチップに伝達することで、四肢麻痺の人の触覚を再現してきた。
だが問題は、バークハートのBCIがこの種の入力に対応するように設計されていないことにあった。それどころか、このBCIは適切な位置に埋め込まれてさえいない。物に触れた感覚は体性感覚皮質で検知されるが、これはチップが埋め込まれた運動皮質の奥にある。
それでも、信号の一部はチップに拾われていたとガンザーは言う。要するに、その信号が何を意味するのか気づけるかが鍵になるのだ。
触覚に対応する信号を探るため、ガンザーらはわずかに触覚が残っていたバークハートの親指と前腕にターゲットを絞って刺激を与え始めた。
ガンザーらは、指と手に圧力をかけたときの脳の信号の変化を観察することで、非常に強い運動信号のなかにある微弱な触覚信号を識別することに成功した。これによって、コンピュータープログラムにバークハートのBCIから来る信号を識別させ、運動信号を前腕に巻き付けた「電極バンド」に、接触信号を上腕に巻き付けた「振動バンド」に送ることが可能になった。
バークハートの上腕もまた、事故後も感覚が残った数少ない部位のひとつだった。おかげで、手から脳に伝えられた弱い圧力信号を振動に変換し、「物に触れている」ことをその振動で知らせることができた。上腕に巻き付けた「振動バンド」に対する実験では、バークハートから物体が見えていないときも、彼はほぼ完璧な精度で物体に触れたことに気づけたという。
当初の「振動バンド」は、振動をオンとオフにするシンプルな装置だった。ところが、ガンザーと同僚たちは、バークハートが物を掴む力の強弱に応じて振動を変化させるように精度を上げていった。
これはゲームコントローラーやスマートフォンがユーザーに与えるフィードバックに似ているが、バークハートは慣れるまでに時間がかかったという。「変な感じです。まだ普通と言えるほど慣れてはいませんが、自分の体に何の感覚情報も来ないことに比べたら、格段にいいですね」
日常的な使用に向けて
ピッツバーグ大学リハビリ神経工学研究所の生物医学エンジニアであるロバート・ゴーントは、自身の研究室で開発中の手法とバテルのシステムを比較した。
ゴーントの研究室では、BCIがロボット義手を制御し、その義手上のセンサーが信号を返して脳を刺激することで、人工的に人の手に触覚を再現する手法をとっている。
「バテルの手法は、本人の手に触覚を回復させるというより、感覚を置き換えるようなものです」と、ゴーントは言う。「わたしたちはみな、脊髄損傷の人たちの生活を向上させる装置の開発を目標にしています。ですが、そのために最も効果的な方法が何なのか、現時点ではまったくわかっていません」
ガンザーらが研究室でこのテクノロジーを実証したいま、次のステップはこのテクノロジーを日常的な使用に向けて改良することだという。
すでにガンザーのチームは、システムに使用した電子部品をVHSヴィデオテープの大きさに収まるまで小型化し、バークハートの車椅子に装着できるようにした。かさばる電極システムも、比較的着脱しやすい袖用バンドに小型化されている。
未来への希望のために
最近バークハートは初めて自宅でこのシステムを使ったが、そのときの制御はタブレット端末からだった。
外科的に移植しなければならないBCIの侵襲性を考えると、この種のシステムが四肢麻痺の患者に広く使われるようになるまでには時間がかかるだろう。手術を必要としない非侵襲的なBCIは活発な研究が進められている分野ではあるものの、技術的には始まったばかりだ。
ガンザーは、米国防総省国防高等研究事業局（DARPA）から資金提供を受けたプロジェクトにも取り組んでいるが、これは特殊な種類のナノ粒子を使って無線で脳との信号をやりとりするBCIを開発するものである。とはいえ、バークハートのように自発的に可能性の実証に協力してくれる人がいなければ、こうした技術が日の目を見ることはない。
「わたしの目標は、この技術を四肢麻痺を抱えるほかの人たちが使えるところまでもっていき、さらにどこまで技術を発展させられるのか見届けることです」と、バークハートは言う。「最大のモチヴェイションは、未来への希望です」
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