歩行中枢と腕の筋肉とをコンピュータで人工的に繋いで歩行の随意制御に成功

内容

　ヒトが歩くときの脚の運動リズムや左右肢の交代的な運動パターンは片方の脚の複数の筋肉が複雑に協調して、更にそれが左右脚で連携して活動することによって出来上がっています。この複雑な筋活動は腰髄に存在する下肢歩行中枢によって生み出されており、私たちが歩くときは脳から下肢歩行中枢への指令によって歩行運動パターンが制御されていると考えられています。研究グループは、脊髄損傷による歩行障害の多くは脳と下肢歩行中枢との繋がりが切れたことが問題であって、脳も腰髄にある下肢歩行中枢もその機能を失っているわけではないということに着目しました。そこで、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、下肢歩行中枢へ伝えることで、脳と下肢歩行中枢を人工的に接続することが出来れば、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ました(図1)。
研究グループは神経や四肢に障害のない健常人を対象に、脳活動の情報が内在している電気的信号を手や腕の筋肉から記録しました。それをコンピュータで読み取り、その信号に合わせた刺激パルスをリアルタイムで下肢歩行中枢の存在する腰髄へ、非侵襲的に磁気刺激することによって、コンピュータによる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しました(図2)。
　神経や四肢に障害のない健常人にコンピュータによる脊髄迂回路を適用したところ、被験者が下肢をリラックスしている状態であっても、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誘発し、止めることが可能でした(図3)。さらに、その歩行サイクルを速くしたりゆっくりしたりと、随意的に歩行の運動パターンを制御可能であることがわかりました。この結果は脳から上肢筋へ伝えられる信号が脊髄の一部を迂回して腰髄にある歩行中枢へ伝えられたことを意味します。
西村准教授は「この技術により、脊髄損傷の患者自身の損傷されずに残った機能を利用して、手術なしで随意的な歩行を再建できる可能性を示すことができたと考えています。しかしながら、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のが大きな課題です。今後は、慎重に安全性を確認しながら、臨床応用に向けて研究開発を進めて行きます。」と話しています。

　本研究は JST 戦略的創造研究推進事業 個人型研究（さきがけ）の「脳情報の解読と制御」研究領域（研究総括：川人　光男　(株) 国際電気通信基礎技術研究所　脳情報通信総合研究所　所長）における研究課題「人工神経接続によるブレインコンピューターインターフェイス」（研究者：西村 幸男）及び文部科学省科学研究費補助金の一環として行われました。

今回の発見

１．健常被験者にて、コンピュータを介した脊髄の迂回路によって、自分の意思で下肢の歩行運動パターンを制御することに成功した。
２．脊髄損傷患者への随意歩行再建の可能性を示した。

図1　コンピュータによる脊髄迂回路の概念図

ヒトの歩行運動は脊髄にある歩行中枢によって運動のリズムやパターンが作られ、この下肢歩行中枢は脳から脊髄を経由して伝えられる下行性指令によって駆動、制御されていると考えられています。従って脳から随意的に制御できる信号をコンピュータで読み取り、下肢歩行中枢へ伝えることで、その取り付けられたコンピュータが人工的な神経経路として機能し、脊髄の一部を迂回して下肢の歩行運動を随意的に制御できると考えられます。本研究では、脊髄の信号ではなく手や腕の筋肉の電気的信号を利用する事で、脳から下肢歩行中枢への迂回路を作製することを目指しました。

図2　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)、及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う刺激部(赤色)で構成されます。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ました。

図3　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