皮質インプラント

皮質インプラントは、脳の大脳皮質に直接接続された神経補綴物のサブセットです。皮質インプラントは、皮質のさまざまな領域と直接接続することで、その設計と配置に応じて、すぐ近くの領域に刺激を与え、さまざまな利点を提供できます。一般的な皮質インプラントは、埋め込み型微小電極アレイで、神経信号を受信または送信できる小さなデバイスです。

皮質インプラントと神経補綴の一般的な目的は、「適切に機能しなくなった脳内の神経回路を置き換えること」です。^[1]

皮質インプラントの潜在的な用途は多岐にわたり、失明患者の視力回復や認知症患者の支援にまで及びます。脳の複雑さを考えると、これらの脳インプラントの有用性を拡大する可能性はほぼ無限です。皮質インプラントの初期の研究では、シリコンゴム製のインプラントを使用して視覚皮質を刺激しました。^{[2]それ以来、インプラントは}ポリイミドなどの新しいポリマーを使用したより複雑なデバイスに発展しました。皮質インプラントが脳とインターフェースする方法は、皮質内（直接）または皮質外（間接）の2つがあります。^[3]皮質内インプラントには脳に浸透する電極があり、皮質外インプラントには表面に沿って刺激する電極があります。皮質外インプラントは主に周囲の電場電位を記録し、一般に皮質内のインプラントに比べて柔軟性があります。皮質内インプラントは脳のより深いところまで入るため、より硬い電極が必要です。^[2]ただし、脳内の微小運動のため、脳組織の損傷を防ぐためにある程度の柔軟性が必要です。

特定の種類の皮質インプラントは、視覚皮質を直接刺激することで視力を部分的に回復させることができます。^[4]皮質刺激による視力回復の初期研究は、1970 年にブリンドリーとドベルの研究から始まりました。彼らの最初の実験では、一部の患者はかなり近い距離にある小さな画像を認識できました。彼らの最初のインプラントは視覚皮質の表面に基づいていたため、可能な限り鮮明な画像を提供できず、周囲の組織に損傷を与えるという欠点もありました。「ユタ」電極アレイなどの最近のモデルでは、より深い皮質刺激を使用しており、理論的にはより少ない電力で高解像度の画像を提供し、損傷が少なくなります。他の視覚補綴物に比べてこの人工視覚方法の大きな利点の 1 つは、損傷を受ける可能性のある視覚経路の多くのニューロンをバイパスするため、より多くの盲目の患者の視力を回復できる可能性があることです。^[4]

しかし、視覚皮質を直接刺激することにはいくつかの問題があります。すべてのインプラントと同様に、長期間にわたってその存在の影響を監視する必要があります。数年後にインプラントを除去または再配置する必要がある場合、合併症が発生する可能性があります。視覚皮質は、網膜や視神経など、人工視覚が可能な他の領域よりもはるかに複雑で扱いが困難です。視覚皮質以外の場所では、視野を処理する方がはるかに簡単です。さらに、皮質の各領域は視覚のさまざまな側面を処理するように特化されているため、単純な直接刺激では患者に完全な画像を提供できません。最後に、脳インプラントを扱う外科手術は患者にとって非常にリスクが高いため、研究をさらに改善する必要があります。ただし、網膜、視神経、または外側膝状体が完全に損傷した人にとっては、皮質視覚補綴が重要であり、視力を回復できる唯一の方法の1つであるため、さらなる開発が求められます。^[4]

視覚インプラントの進歩は、視覚皮質の特定の領域を刺激することに焦点を当てています。動きを知覚するために重要な中側頭葉（MT）領域は、人工的に滑らかな動きを作り出すための電気刺激の重要なターゲットです。MTは溝に囲まれているため、正確な電極埋め込みは困難です。進行中の研究では、MTと一次視覚皮質（V1）の間の多領域刺激を調査し、それが閃光（視覚的錯覚）の生成と動きの知覚に与える影響を理解することを目指しています。視覚系のさまざまな領域をターゲットとするこの多領域アプローチは、視覚インプラントの明瞭性とパフォーマンスを向上させる可能性を秘めており、より効果的な視力回復への潜在的な道を提供します。^[5]

聴覚皮質に直接作用する効果的な聴覚補助器具の開発はほとんど進んでいないが、ウィリアム・ハウス博士とそのチームが導入した人工内耳や聴性脳幹インプラントなどの機器は、聴覚障害患者の聴力を回復させることに成功している。^[6]人工内耳は蝸牛または聴神経をターゲットにしており、この神経に問題がある人はその恩恵を受けることができない。代わりに、聴性脳幹補助器具を使用することができる。^[7]

動物の聴覚皮質から読み取りを行うために微小電極アレイを使用した研究もいくつか行われています。ラットを対象に、聴覚皮質と視床の両方から同時に読み取りを可能にするインプラントを開発する研究が行われました。この新しい微小電極アレイからの読み取りは、同じ同時読み取りを提供しない他のすぐに入手できるデバイスと同等の明瞭さでした。^[8]このような研究により、新しい聴覚補助器具につながる進歩を遂げることができます。

従来の聴覚補助器具が直面する課題に対処するため、骨伝導インプラントや中耳インプラントなど、多くの非従来型の聴覚補助器具が現在も研究中です。骨伝導補助器具は、頭蓋骨の振動を引き起こして蝸牛を刺激します。中耳補助器具は、部分的にまたは完全に埋め込まれ、耳小骨連鎖（耳小骨または耳の骨）の直接振動を引き起こします。これらの補助器具は合併症を引き起こす可能性がありますが、その目的は音の振動を内耳に伝達し、その結果として聴力を改善することです。^[9]

いくつかの皮質インプラントは認知機能を改善するように設計されている。これらのインプラントは前頭前野または海馬に配置される。前頭前野のインプラントは神経発火のミニコラム組織を複製することにより、注意、意思決定、および動作選択の回復を助ける。^[10]海馬補綴は患者の完全な長期記憶能力の回復を助けることを目的としている。研究者は、脳が海馬でさまざまな記憶をどのようにコード化するかを解明することにより、記憶の神経基盤を解明しようとしている。

研究者たちは、電気刺激で脳の自然なコーディングを模倣することで、損傷した海馬領域を置き換え、機能を回復させることを目指しています。^[11]脳卒中、アルツハイマー病、頭部外傷など、認知機能に影響を与えるいくつかの病気の治療は、海馬補綴物の開発から恩恵を受けることができます。てんかんも海馬CA3領域の機能不全に関連しています。^[12]

脳コンピューターインターフェース（BCI）は、患者の脳と何らかの外部ハードウェアを直接接続できるインプラントの一種です。1990年代半ば以降、動物モデルと人間モデルの両方でBCIに関する研究が飛躍的に増加しました。ほとんどの脳コンピューターインターフェースは何らかの形の神経信号抽出に使用されますが、埋め込まれた信号を通じて感覚を回復しようとするものもあります。^{[3]信号抽出の例として、BCIは}下半身麻痺患者の脳から信号を取得し、それを使用してロボット義肢を動かすことができます。麻痺患者は、患者に制御を回復できるため、これらのデバイスから大きな恩恵を受けています。脳コンピューターインターフェースの現在の研究は、個人が脳のどの領域を操作できるかを判断することに焦点を当てています。研究の大部分は、想像上の運動動作を使用してデバイスを駆動する、脳の感覚運動領域に焦点を当てていますが、一部の研究では、認知制御ネットワークがインプラントの適切な場所であるかどうかを判断しようとしています。この領域は「明確な意図やタスクのために精神プロセスを調整する神経ネットワーク」であり、想像上の動きではなく意図によってデバイスを駆動します。^[13]インプラント信号を介して感覚を戻す例としては、義肢の触覚反応の開発が挙げられます。切断者は義肢に対して触覚反応がありませんが、体性感覚皮質にインプラントを埋め込むことで人工的な触覚を得られる可能性があります。

脳コンピューターインターフェースの現在の例としては、サイバーキネティクス社が開発した装置であるブレインゲートが挙げられる。このBCIは、2009年5月現在、第2ラウンドの臨床試験が行われている。以前の試験では、重度の脊髄損傷を負い、四肢をまったく制御できない患者が対象となった。この患者は、思考のみでコンピューターのマウスを操作することに成功した。ロボットアームの制御など、より複雑なインターフェースを可能にするさらなる開発が進められている。

BCIの応用は長年にわたって登場しており、特に筋萎縮性側索硬化症（ALS）、パーキンソン病（PD）、アルツハイマー病（AD）、脊髄性筋萎縮症（SMA）などの神経変性疾患がもたらす課題の解決に役立っています。^[14]

進行性で致命的な神経変性疾患であるアルツハイマー病では、BCI は認知機能の低下による課題に直面します。いくつかの革新的な研究では、「機能的磁気共鳴画像法(fMRI) と BCI による古典的条件付け」と呼ばれる手法が使用されました。主なアイデアは、特定の意図的な精神活動や思考と感情的反応や刺激とのつながりを形成することでした。制限はあるものの、この新しいアプローチはアルツハイマー病の神経リハビリテーションに可能性を秘めているようです。^[14]

BCI は、運動障害を特徴とするパーキンソン病において、ニューロンの発火を運動指令に変換することで運動機能を強化する役割も果たします。深部脳刺激(DBS) 電極からの局所場電位を使用した研究では、運動機能の改善が示されています。脳波(EEG) または fMRIに基づく BCI によるニューロフィードバックは、脳活動を制御するために研究されてきました。EEG フィードバックを備えた BCI は、主に意図的な動きを具体的に検出することを目的としており、機能的電気刺激(FES)などの技術と組み合わせることで神経震えを軽減することを目標としています。 ^[14]

さらに、BCIは脊髄前角の神経変性により進行性の筋力低下を患うSMA患者の筋肉制御を改善する可能性があります。SMA患者を対象としたいくつかの研究では、BCIを制御システムに統合してテレビや電話などの遠隔デバイスを有効にすることを検討しました。他の研究では、SMA患者が表面筋電図（sEMG）を使用してロボットアームを操作できるようにすることに焦点が当てられています。^[14]

おそらく、皮質インプラントが他の神経補綴物よりも優れている最大の利点の 1 つは、皮質と直接接続できることです。視覚経路の損傷した組織をバイパスすることで、より幅広い患者を治療できるようになります。これらのインプラントは、皮質の損傷した組織の代わりとしても機能します。生体模倣の考え方により、インプラントは信号の代替経路として機能します。

皮質に直接接続されたあらゆる種類のインプラントを持つことは、いくつかの問題を伴います。皮質インプラントの主な問題は、生体適合性、つまり体が異物にどのように反応するかです。体がインプラントを拒絶した場合、インプラントは患者にとって利益よりもむしろ不利益になります。生体適合性に加えて、インプラントがいったん設置されると、体は長期間にわたってインプラントに悪影響を及ぼし、インプラントが役に立たなくなる可能性があります。^[15]マイクロ電極アレイを埋め込むと、周囲の組織が損傷する可能性があります。電極の周りに瘢痕組織が形成されると、一部の信号がインプラントが届けるニューロンに到達できなくなる可能性があります。ほとんどのマイクロ電極アレイでは、最高の機能を提供するためにニューロン細胞体が電極から50μm以内にある必要があり、研究によると、慢性的にインプラントを埋め込まれた動物では、この範囲内で細胞密度が大幅に低下することが示されています。^[15]インプラントは、移植部位で 神経変性を引き起こすことも示されています。

神経コーディングは、皮質インプラント、特に認知を扱うインプラントが直面する困難を表しています。研究者は、脳がさまざまな記憶をコーディングする方法を特定するのが難しいことを発見しました。たとえば、脳が椅子の記憶をコーディングする方法は、ランプの記憶をコーディングする方法とは大きく異なります。神経コードを完全に理解することで、記憶をより効果的に強化できる海馬補綴物の開発をさらに進めることができます。

患者ごとに皮質がそれぞれ異なるため、直接移植を伴う手順を標準化することは困難です。^[4]脳には多くの共通する物理的特徴がありますが、個々の脳回や溝（神経解剖学）は比較すると異なる場合があります。これにより、各手順が固有になり、実行に時間がかかるため、困難が生じます。さらに、個々の皮質の固有性、つまり違いに関連して提示される規定の変動により、マイクロ電極アレイの意図する効果の性質は制限されます。現在のマイクロ電極アレイは、その物理的サイズと達成可能なデータ処理/機能速度によっても制約を受けており、これらはムーアの法則に従って決定される特性に関連して引き続き制御されています。

研究が進むにつれて、皮質インプラントの実現可能性と有用性を高めるさらなる開発が行われるでしょう。インプラントのサイズを小さくすることは、手順をより簡単にし、かさばりを減らすのに役立ちます。開発が進むにつれて、これらのデバイスの寿命も考慮されています。新しいインプラントの開発の目標は、「人体の過酷な環境による加水分解、酸化、酵素による劣化を回避するか、少なくともそれを最小限に遅らせて、最終的に交換が必要になるまで、インターフェイスが長期間動作できるようにする」ことです。^[2]動作寿命が長くなると、メンテナンスのために実行する必要がある操作が少なくなり、神経インプラントに使用できるポリマーの量が増え、デバイスの多様性が向上します。テクノロジーが向上するにつれて、研究者は電極をより高密度にアレイに配置できるようになり、高い選択性が可能になります。^[2]その他の調査分野は、これらのデバイスに電力を供給するバッテリーパックです。これらのパックの全体的なサイズとかさばりを減らして、患者にとって目立たないようにする努力がなされてきました。各インプラントに必要な電力量を減らすことも重要です。これにより、インプラントが発する熱量が減り、周囲の組織を損傷するリスクが減ります。