神経栄養電極

神経栄養電極は、脳が情報処理に使う電気信号を読み取るために設計された皮質内装置です。この装置は、導電性の金線数本に取り付けられた小さな中空のガラスコーンで構成されています。神経栄養という用語は「神経組織の栄養と維持に関連する」という意味で、この装置は先端から神経突起の拡大を促すためにマトリゲルと神経成長因子でコーティングされていることからこの名前が付けられました。 ^[1]この装置は神経科医のフィリップ・ケネディ博士によって発明され、1996 年に神経外科医のロイ・バカイによって初めて人間の患者に移植されました。^[2]

閉じ込め症候群の患者は認知能力は健在で周囲の状況も把握しているが、随意筋がほぼ完全に麻痺しているため、動くこともコミュニケーションをとることもできない。こうした患者にある程度の制御力を取り戻そうとする初期の試みでは、研究者らは脳波(EEG)で得られた皮質信号を使ってマウスカーソルを操作した。しかし、EEG には直接皮質インターフェースを使用することで得られる速度と精度が欠けている。^[3]

筋萎縮性側索硬化症や脳性麻痺などの他の運動疾患の患者や、重度の脳卒中や脊髄損傷を患った患者も、埋め込み型電極の恩恵を受けることができます。皮質信号はロボットの手足を制御するために使用できるため、技術が向上し、手術のリスクが軽減されれば、直接インターフェースによって切断患者の支援も可能になるかもしれません。^[4]

ケネディ博士が電極を設計していたとき、彼はワイヤレスで生物学的に適合し、長期の埋め込みが可能なデバイスが必要であることを知っていました。アカ​​ゲザルとラットを使った初期の研究では、神経栄養電極は最長14か月の長期の埋め込みが可能であることが実証されました（後に人間での試験でさらに優れた堅牢性が証明されました）。^[5]この長寿命は研究にとって非常に貴重でした。なぜなら、サルがタスクの訓練を受けている間、最初は沈黙していたニューロンがタスクを学習するにつれて発火し始めたからです。この現象は、電極が長期の埋め込みが可能でなければ観察できなかったでしょう。^[1]

ガラスの円錐は長さがわずか1～2 mmで、先端と中空の本体を通して軸索と樹状突起が成長するように栄養因子で満たされています。神経突起が円錐の後端に達すると、その側の神経網と再結合し、ガラスの円錐を所定の位置に固定します。その結果、安定した堅牢な長期記録が可能になります。^{[6]円錐は、}皮質脊髄路細胞体の間にある皮質の第5層付近に先端が位置し、表面から45°の角度で約5～6 mmの深さに挿入されます。^[7]

3本または4本の金線がガラスの円錐の内側に接着され、背面から突き出ている。円錐を通して成長した軸索の電気的活動を記録し、テフロンで絶縁されている。金線は、一方の端が皮質に埋め込まれ、もう一方の端が頭蓋骨の内側に固定された増幅器に接続されているため、張力を軽減するようにコイル状に巻かれている。差動信号を提供するために、2本の金線が各増幅器に差し込まれている。^[7]

神経栄養電極の最大の強みの 1 つはワイヤレス機能です。経皮配線がないため、感染のリスクが大幅に軽減されます。神経信号は電極によって収集されると、金線を伝わって頭蓋骨を通過し、生体増幅器(通常は差動増幅器によって実装) に渡されます。増幅された信号はスイッチを介して送信機に送られ、そこで FM 信号に変換されてアンテナから放送されます。増幅器と送信機は、整流およびフィルタリングされた 1 MHz の誘導信号によって駆動されます。アンテナ、増幅器、アナログ スイッチ、FM 送信機はすべて、頭皮の真下に置かれた標準的な表面実装プリント基板に収められています。このアンサンブル全体は、生体適合性を持たせ、電子機器を液体から保護するために、保護ゲル、パリレン、エルバックス、シラスティックでコーティングされています。 ^[7]

患者の頭皮の外側には、対応する誘導コイルと、 FM信号を受信機に送信するアンテナが取り付けられています。これらの装置は、水溶性ペーストで一時的に固定されます。受信機は信号を復調し、スパイク分類とデータ記録のためにコンピューターに送信します。^[7]

神経栄養電極の大部分は手作業で作られる。金線は適切な長さに切断され、コイル状に巻かれ、コーンとの接触点のすぐ上で 45 度の角度に曲げられ、埋め込み深さが制限される。ワイヤーが頭蓋骨を通過する箇所では、反対方向にもう 1 回曲げられる。先端はテフロンコーティングが剥がされ、コーンから最も遠い先端ははんだ付けされ、歯科用アクリルでコンポーネントコネクタに密封される。ガラスコーンは、ガラス棒を加熱して先端まで引っ張り、先端を必要な長さに切断して作られる。もう一方の端はまっすぐに切断されるのではなく、金線を取り付けるための棚となるように斜めに彫られる。次にワイヤーを棚に置き、導電性の先端を覆わないように注意しながら、メチルメタクリレートゲル接着剤を数回塗布する。最後に、低温のグルタルアルデヒドガスを使用してデバイスを滅菌し、空気を通す。^[7]

ケネディ博士の患者の一人、ジョニー・レイは、神経栄養電極を使ってコンピュータのカーソルを制御する方法を学ぶことができました。デバイスからの3つの異なる神経信号は、それぞれX軸、Y軸、および「選択」機能に沿ったカーソルの動きと相関していました。特定の方向への動きは、関連するチャネルのニューロン発火率の増加によって引き起こされました。^[3]

ケネディ博士の別の患者から引き出された神経信号は、音声合成装置を使用してリアルタイムで母音を発音するために使用されました。電子回路のセットアップはカーソルに使用されたものと非常に似ており、受信機後の神経デコーダと合成装置自体が追加されました。研究者は、術前のfMRIスキャンで絵の名前を言うタスク中にその部分に高い活動が見られたため、音声調音器官の動きに関連する運動皮質の領域に電極を埋め込みました。神経発火から合成装置の出力までの平均遅延は 50 ミリ秒で、これは無傷の生物学的経路の遅延とほぼ同じです。^[8]

神経栄養電極は、上述のように無線デバイスであり、信号を経皮的に伝送する。さらに、すべてのコンポーネントが完全に生体適合性であるため、人間の患者で4年以上の寿命が実証されている。 13年間埋め込まれた閉じ込められた人の最近のデータでは、瘢痕がまったくなく、多くの有髄神経線維（軸索）が見られることが明らかにされている^{[12] [9]}そのため、神経栄養電極の寿命に関する疑問は解決された。比較すると、ワイヤタイプの電極（ユタアレイ）は、数か月から数年かけて信号を失います。ユタアレイは、3年で信号の85％を失います^[13]、^[10]ので、人間への長期使用には考慮できません。ECOGシステムは、2年未満で信号を失います^[14]。^[11] Neuralinkによって開発されているものなど、多くの新しい電極タイプは、依然として同様の問題を抱えています。しかし、金属電極から得られるデータは短期的には非常に有用であり、脳からコンピューターへの研究分野で非常に有用なデータを大量に生み出してきました。

しかし、神経栄養電極は、信号を送信するために使用する電子機器が頭皮上で非常に大きなスペースを必要とするため、提供できる情報量には限界があり、人間の頭蓋骨には4つしか収まりませんでした。^[2]これは、アンプ技術が向上するにつれて、時間の経過とともに問題が少なくなってきています。さらに、電極の数が少ないことは依然として有用であることが証明されています。電極ごとに約20個の単一ユニットがあり、最近の結果では、23個の単一ユニットを備えた1つの電極で、可聴および無音の音声、具体的には電話、単語、フレーズを解読できることが示されています^[15]。^[12]

一方、ユタアレイは現在有線デバイスですが、より多くの情報を送信します。このアレイは2年以上人間に埋め込まれており、100本の導電性シリコン針状電極で構成されているため、高解像度で多くの個々のニューロンから記録できます。^[13]神経栄養電極は、他のグループでは一般的に無視されている低速発火ユニットの重要性からもわかるように、高解像度です^[16]。^[14]

ある実験では、ケネディ博士は神経栄養電極を改造して局所電場電位（LFP）を読み取れるようにした。彼は、それらが補助技術機器を制御できることを実証し、より侵襲性の低い技術を使用して閉じ込められた患者の機能を回復できることを示唆した。しかし、この研究では、LFPで可能な制御の程度については触れられておらず、LFPと単一ユニットの活動との正式な比較も行われていない。^[15]これは、LFPを使用して機器を制御できることを示した最初の研究であった。

脳波検査（EEG）では、患者の頭皮に多数の表面電極を配置し、数万から数百万のニューロンの活動の合計を記録します。EEGは、電極を頭皮に無期限に保持できるため、脳コンピューターインターフェースとして長期使用が可能です。EEGの時間的および空間的解像度と信号対雑音比は、同等の皮質内デバイスよりも常に遅れていますが、手術を必要としないという利点があります。^[13]

皮質電気記録法（ECoG）は、脳の表面に直接電極シートを置き、数百から数千のニューロンの累積活動を記録します。手術が必要で解像度が低いことに加え、ECoGデバイスは有線であるため、頭皮を完全に閉じることができず、感染のリスクが高まります。しかし、ECoGを調査している研究者は、グリッドは「長期の埋め込みに適した特性を備えている」と主張しています。^[13]彼らが発表したデータでは、2年以内に信号が失われることが示されている^[14]。

神経栄養電極は、装置が電気信号を拾う前に軸索が円錐状に成長する必要があるため、移植後すぐには作動しません。研究によると、組織の成長は手術後1か月でほぼ完了しますが、安定するまでに4か月ほどかかります。^[1]再び動いたり話したりできるようになることを期待しているロックイン患者の生涯を考えると、4か月の遅延は不利ではありません。

インプラントに伴うリスクは、出血、感染、発作、脳卒中、脳損傷の可能性など、脳外科手術に通常伴うリスクである。これらのリスクが大幅に軽減されるほど技術が進歩するまで、この処置は極端な場合や実験的な場合にのみ行われる。^[2]ニューラルシグナルズの患者6人のうち、ケネディ博士自身だけが合併症を経験した。彼は、局所運動発作と脳の腫れの短いエピソードを経験し、体の反対側に一時的な衰弱をもたらした。^[16]

1998 年にジョニー レイがインプラントを受けたとき、神経栄養電極の 1 つが神経網に固定された後、断続的な信号を送り始めたため、ケネディ医師は残りのデバイスに頼らざるを得ませんでした。これは、電極ではなく、電子機器の問題が原因でした。^[3]そのため、手術による合併症がなくても、電子機器が故障する可能性はあります。電子機器の交換は簡単です。さらに、インプラント自体は頭蓋骨に覆われているため、物理的損傷からは比較的安全ですが、頭皮の下の頭蓋骨の外側にある電子機器は脆弱です。ケネディ医師の患者のうち 2 人がけいれん中に誤って損傷を引き起こしましたが、どちらの場合も外部デバイスのみを交換する必要がありました。^[7]

2010年11月現在、ケネディ博士は電極の音声合成への応用に取り組んでいますが、その用途をさまざまな分野に拡大する計画があり、その1つは神経補綴による運動の回復です。^[2]

サイレントスピーチとは、「理解可能な音響信号がない状態での音声処理」であり、主に閉じ込められた人の補助として使用される。サイレントスピーチは、デコードに成功した^[12]。第二の目的は、可聴またはサイレントスピーチを「頭皮の下に電極を差し込み、スピーチ運動皮質に挿入する携帯電話」、つまり消費者向けアイテムとして使用することである。フィル・ケネディによれば、

読者はそのような考えにひるむかもしれません。しかし、説明させてください。体内に常時アクセスできるプライベートな携帯電話を持つことのすべての利点を考えてみてください。つまり、「誰それに連絡する必要がある、Siri に質問する必要がある、クラウドにアクセスして情報を受け取る必要がある、クラウドへのアクセスを使用して計算を実行する必要がある、インターネットを使用する必要がある、株価がどうなっているかを知る必要がある、子供がどこにいるかを知る必要がある、転倒したので救急隊に連絡する必要がある、など。携帯電話を探してタップする必要はなく、考えるだけでテキストメッセージを送ったり電話をかけたりすることができます。」頭皮の下の携帯電話はそのステップを省略します。それは意志で継続的な通信を提供し、必要に応じて電源をオフにすることができます。さらに、歴史が示すように、人々は皮膚や頭皮の下に埋め込まれた、目に見えないデバイスを敬遠することはありません。心臓ペースメーカーがかさばり、体外に持ち運ばなければならないという理由で最初に拒否されたことを考えてみてください。今では、それらは完全に埋め込まれ、患者に日常的に処方されています。私の考えでは、この不快な展開も避けられません。

したがって、私の予想では、困っている人々を支援することから、消費者向け製品で人々を助けることへと進むことになります。同様に、困っている人々が犬の尻尾（犬全体が全人類）である場合、犬が尻尾を振るのではなく、尻尾が犬を振ることになります。