神経補綴

視覚補綴装置は、視覚系のニューロンを電気的に刺激することで、イメージの感覚を作り出すことができます。カメラはワイヤレスでインプラントに送信し、インプラントは電極アレイ全体に画像をマッピングします。電極アレイは600～1000箇所を効果的に刺激する必要があり、網膜のこれらの視神経を刺激することで画像が生成されます。刺激は、光信号の経路上のどこでも行うことができます。視神経を刺激して画像を生成することも、視覚皮質を刺激することもできますが、臨床試験では網膜インプラントが最も成功していることが証明されています。^{[ 9 ]}

視覚補綴システムは、ビデオを取得および処理する外部（または埋め込み型）イメージングシステムで構成されています。外部ユニットからワイヤレスでインプラントに電力とデータが送信されます。インプラントは受信した電力/データを使用してデジタルデータをアナログ出力に変換し、マイクロ電極を介して神経に伝達します。^{[ 10 ]}

光受容体は、光子を電気信号に変換する特殊な神経細胞です。これらは網膜の一部であり、網膜は眼球 の奥を覆う厚さ約200μmの多層構造の神経組織です。処理された信号は視神経を通して脳に送られます。この経路のいずれかの部分が損傷すると、失明に至る可能性があります。

視覚経路（角膜、房水、水晶体、硝子体）の損傷により失明に至ることがあります。これは事故や病気によって起こり得ます。光受容体の喪失による失明を引き起こす最も一般的な網膜変性疾患は、加齢黄斑変性（AMD）と網膜色素変性症（RP）です。

永久的に埋め込まれる網膜プロテーゼの最初の臨床試験は、3500個の素子を持つ受動型マイクロフォトダイオードアレイを備えたデバイスでした。^{[ 11 ]}この試験は、2000年にOptobionics, Inc.で実施されました。2002年、Second Sight Medical Products , Inc.（カリフォルニア州シルマー）は、16個の電極を備えたプロトタイプの網膜上インプラントの試験を開始しました。被験者は、RPに続発する裸光知覚を持つ6人でした。被験者は、3つの一般的な物体（皿、カップ、ナイフ）を統計的に偶然を超えるレベルで区別する能力を示しました。Retina Implant GMbH（ドイツ、ロイトリンゲン）によって開発された能動型網膜下デバイスは、2006年に臨床試験を開始しました。1500個のマイクロフォトダイオードを備えたICが網膜の下に埋め込まれました。マイクロフォトダイオードは、フォトダイオードに入射する光の量に基づいて電流パルスを変調する役割を果たします。^{[ 12 ]}

視覚補綴の開発に向けた先駆的な実験は、大きな表面電極のグリッドを用いた皮質刺激によって行われた。1968年、ジャイルズ・ブリンリーは52歳の盲目の女性の視覚皮質表面に80個の電極装置を埋め込んだ。刺激の結果、患者は視野の40の異なる位置で光視症を見ることができた。 ^{[ 13 ]} この実験は、埋め込み型電気刺激装置がある程度の視力を回復できることを示した。最近の視覚皮質補綴の取り組みでは、非ヒト霊長類における視覚皮質刺激の有効性が評価されている。この実験では、訓練とマッピングのプロセスの後、サルは光刺激と電気刺激の両方で同じ視覚サッケード課題を実行できるようになった。^{[ 14 ]}

高解像度網膜プロテーゼの要件は、その装置から恩恵を受ける盲人のニーズと要望に基づいて決定されるべきです。これらの患者とのやり取りから、杖なしでの移動、顔認識、読書が主な必要な機能であることが示されています。^{[ 15 ]}

完全に機能する視覚補綴の結果と意義は刺激的です。しかし、課題は深刻です。網膜に高品質の画像をマッピングするには、多数のマイクロスケール電極アレイが必要です。また、画像品質は、無線リンクを介して送信できる情報量に依存します。さらに、この大量の情報は、組織を損傷する可能性のある大きな電力損失なしにインプラントによって受信および処理されなければなりません。インプラントのサイズも大きな懸念事項です。インプラントは、低侵襲であることが望ましいです。^{[ 15 ]}

この新技術により、ドレクセル大学のカレン・モクソン、ニューヨーク州立大学のジョン・チャピン、デューク大学のミゲル・ニコレリスなど、数名の科学者が高度な視覚補綴装置の設計に関する研究を開始した。しかし、他の科学者たちは彼らの研究の焦点に異議を唱え、高密度に配置された微細なワイヤーの基礎研究と設計は、研究を進めるには十分な高度さを備えていないと主張した。

人工内耳（CI）、聴性脳幹インプラント（ABI）、聴性中脳インプラント（AMI）は、聴覚補綴装置の主要な3つのカテゴリーです。CI電極アレイは蝸牛に埋め込まれ、ABI電極アレイは下部脳幹の蝸牛神経核複合体を刺激し、AMIは下丘の聴覚ニューロンを刺激します。これら3つのカテゴリーの中で、人工内耳は非常に大きな成功を収めています。現在、Advanced Bionics Corporation、Cochlear Corporation、およびMed-El Corporationが、人工内耳の主要な商業プロバイダーとなっています。

音を増幅して外耳に送る従来の補聴器とは対照的に、人工内耳は音を取得・処理し、電気エネルギーに変換して聴神経に伝達します。人工内耳システムのマイクロホンは外部環境から音を受信し、プロセッサに送信します。プロセッサは音をデジタル化し、周波数帯域ごとにフィルタリングして、それぞれの周波数にほぼ対応する蝸牛内の適切な音調領域に送ります。

1957年、フランスの研究者A. DjournoとC. Eyriesは、D. Kayserの協力を得て、人間の聴神経を直接刺激する最初の詳細な記述を提供した。^{[ 16 ]} 被験者は刺激中にさえずりのような音を聞いたと述べている。1972年、成人向けの最初の携帯型人工内耳システムがハウス耳科クリニックに埋め込まれた。米国食品医薬品局（FDA）は、1984年11月にHouse-3M人工内耳の販売を正式に承認した。^{[ 17 ]}

人工内耳の性能向上は、インプラント刺激の物理的および生物物理学的限界の理解だけでなく、脳のパターン処理要件の理解にも依存します。最新の信号処理は、最も重要な音声情報を表すと同時に、脳が必要とするパターン認識情報も提供します。脳におけるパターン認識は、音声の重要な特徴を識別する上で、アルゴリズムによる前処理よりも効果的です。聴覚補綴の性能を最大化するための適切な技術バランスを生み出すには、工学、信号処理、生物物理学、認知神経科学の組み合わせが必要でした。^{[ 18 ]}

人工内耳は、先天性難聴児の音声言語発達を促すためにも使用されており、早期埋め込み（2～4歳未満）では目覚ましい成功を収めている。^{[ 19 ]}世界中で約8万人の子どもが人工内耳を埋め込まれている。

聴覚改善を目的とした同時電気音響刺激（EAS）の組み合わせの概念は、 1999年にドイツのフランクフルト大学病院のC. von IlbergとJ. Kieferによって初めて記述されました。 ^{[ 20 ]} 同年、最初のEAS患者が埋め込まれました。2000年代初頭から、FDAはCochlear Corporationの「Hybrid」と呼ばれるデバイスの臨床試験に関与しています。この試験は、残存低周波聴力のある患者における人工内耳の有用性を検証することを目的としています。「Hybrid」は、標準的な人工内耳よりも短い電極を使用しており、電極が短いため、蝸牛の基底部領域、ひいては高周波音調領域を刺激します。理論的には、これらのデバイスは、音声周波数範囲での知覚を失い、弁別スコアが低下した、著しい低周波残存聴力のある患者に有益です。^{[ 21 ]}

音声生成については、「音声合成」を参照してください。

SCS（脊髄刺激装置）には、電極とジェネレーターという2つの主要な構成要素があります。神経因性疼痛に対するSCSの技術的な目標は、刺激によって誘発されるチクチクとした感覚（「知覚異常」として知られる）で患者の痛みの領域を覆い隠すことです。これは、痛みの緩和を達成するためにこの重なりが必要（ただし十分ではない）だからです。^{[ 22 ]}知覚異常の範囲は、どの求心性神経が刺激されるかによって異なります。脊髄の軟膜表面に近い背側正中線電極によって最も容易に活性化されるのは、大きな背側柱求心性神経であり、尾側方向に広範囲の知覚異常を引き起こします。

古代では、電気を発する魚が痛みを和らげるための電気ショック装置として使われていました。治療師たちは、頭痛を含むさまざまな種類の痛みを治療するために、魚の電気発生特性を利用するための具体的で詳細な技術を開発しました。生きた電気ショック発生装置を使うのは扱いにくいため、適切な時間、対象に治療を施すにはかなりのスキルが必要でした。（魚をできるだけ長く生かしておくことも含めて）電気鎮痛は、電気を意図的に応用した最初の例でした。19世紀までに、ほとんどの西洋の医師は携帯型発生装置による電気療法を患者に提供していました。^{[ 23 ]}しかし、1960年代半ばには、3つのことが重なり、電気刺激の将来が確実になりました。

1. 1950年に始まったペースメーカー技術が利用可能になった。
2. メルザックとウォールは、痛みのゲートコントロール理論を発表し、大きな求心性線維を刺激することで痛みの伝達を遮断できると提唱した。^{[ 24 ]}
3. 先駆的な医師たちは、患者の痛みを和らげるために神経系を刺激することに興味を持つようになった。

電極の設計オプションには、サイズ、形状、配置、接点の数と割り当て、および電極の埋め込み方法が含まれます。パルス発生器の設計オプションには、電源、目標とする解剖学的配置位置、電流または電圧源、パルスレート、パルス幅、および独立したチャンネルの数が含まれます。プログラミングオプションは非常に多く（4接点電極では50の機能的な双極性組み合わせが提供されます）、現在のデバイスはコンピュータ化された機器を使用して最適なオプションを見つけます。この再プログラミングオプションは、姿勢の変化、電極の移動、痛みの場所の変化、および最適ではない電極配置を補正します。^{[ 25 ]}

脊髄損傷により対麻痺が生じると、患者は膀胱を空にすることが困難になり、感染症を引き起こす可能性があります。1969年以降、ブリンリーは仙骨前根刺激装置を開発し、1980年代初頭からヒトでの臨床試験が成功しました。^{[ 26 ]}この装置は脊髄の仙骨前根神経節に埋め込まれ、外部送信機によって制御され、膀胱の排尿を改善する間欠的な刺激を与えます。また、排便を助け、男性患者が持続的な勃起を維持できるようにします。

仙骨神経刺激に関連する処置は、健常者の尿失禁をコントロールするためのものである。^{[ 27 ]}

研究者たちは現在、四肢麻痺や筋萎縮性側索硬化症などの運動障害を持つ人々の運動機能と外界とのコミュニケーション能力を回復させるための運動神経補綴装置の研究と開発に取り組んでいる。研究によると、線条体は運動感覚学習において重要な役割を果たしている。これは、実験用ラットが連続して課題を行った後に線条体の発火率が高くなることが記録された実験によって実証された。

脳からの電気信号を捉えるため、科学者たちは1平方センチメートル以下の微小電極アレイを開発し、これを頭蓋骨に埋め込んで電気活動を記録し、記録された情報を細いケーブルを通して伝達するようになった。数十年にわたるサルを用いた研究を経て、神経科学者たちは神経信号を動きに変換することに成功した。研究者たちはこの変換を完了させ、患者がコンピューターカーソルを操作できるインターフェースを構築し、さらに患者が動きを考えることで制御できるロボット義肢や外骨格の開発にも着手している。

運動神経補綴の技術はまだ黎明期にある。研究者や被験者は、補綴の様々な使用方法を模索し続けている。例えば、患者に拳を握ることを想像させるのと、指を叩くことを想像させるのとでは、得られる結果が異なる。補綴に使用されるフィルターも改良が進められており、将来的には、ケーブルを介するのではなく、頭蓋骨内部から無線で信号を送信できるインプラントの開発が医師たちの目標となっている。

これらの進歩に先立ち、フィリップ・ケネディ（エモリー大学およびジョージア工科大学）は、麻痺のある人が脳活動を調節することで単語を綴ることができる、やや原始的ではあるものの実用的なシステムを開発していた。ケネディの装置は2つの神経栄養電極を使用していた。1つ目は、無傷の運動皮質領域（例えば指の表象領域）に埋め込まれ、カーソルを文字のグループ間で移動するために使用された。2つ目は、別の運動領域に埋め込まれ、選択を示すために使用された。^{[ 28 ]}

失われた腕を、通常は胸筋に接続されている神経を利用してサイバネティックな代替物で置き換える開発が進められている。これらの腕はわずかに可動範囲が制限されているが、圧力と温度を検出するセンサーを搭載する予定であると報じられている。^{[ 29 ]}

ノースウェスタン大学およびシカゴ・リハビリテーション研究所のトッド・クイケン博士は、切断手術を受けた患者が電動義肢を制御し、感覚フィードバックを取り戻すための「標的再神経支配」と呼ばれる方法を開発した。

2002年、現在ブレインゲートのセンサー部分を構成する100個の電極からなるマルチ電極アレイが、科学者ケビン・ワーウィックの正中神経線維に直接埋め込まれた。記録された信号は、ワーウィックの同僚であるピーター・カイバードが開発したロボットアームを制御するために使用され、ワー​​ウィック自身の腕の動きを模倣することができた。^{[ 30 ]}さらに、インプラントを介して神経に微弱な電流を流すことで、感覚フィードバックの一形態が提供された。これにより、手の第一虫様筋が収縮し、この動きが知覚された。^{[ 30 ]}

2014年6月、下半身麻痺のアスリート、ジュリアーノ・ピントは、脳インターフェースを備えた電動外骨格を使用して、2014 FIFAワールドカップの始球式を行った。 ^{[ 31 ]}この外骨格は、ブラジル政府の資金援助を受けたミゲル・ニコレリスの研究室のウォーク・アゲイン・プロジェクトによって開発された。^{[ 31 ]}ニコレリスは、バランスを保つためには、代替肢からのフィードバック（例えば、義足が地面に触れたときに感じる圧力に関する情報）が必要だと述べている。^{[ 32 ]}彼は、脳インターフェースによって制御される肢が、コマンドを発行するのと同時に動くのを見ることができれば、繰り返し使用することで脳は外部動力の肢を同化し、それを（位置認識とフィードバックの点で）身体の一部として認識し始めることを発見した。^{[ 32 ]}

MITバイオメカトロニクスグループは、生体筋肉と筋電義肢を高い信頼性で神経的に接続できる新しい切断パラダイムを設計しました。この手術パラダイムは、アゴニスト・アンタゴニスト筋神経インターフェース（AMI）と呼ばれ、単なる付属肢に似た義肢を使用するのではなく、義肢を自分の体の延長として感知し制御する能力をユーザーに提供します。通常のアゴニスト・アンタゴニスト筋のペア関係（例えば、上腕二頭筋と上腕三頭筋）では、アゴニスト筋が収縮するとアンタゴニスト筋が伸展し、その逆もまた同様であるため、自分の肢を見ることなくその位置を知ることができます。標準的な切断では、アゴニスト・アンタゴニスト筋（例えば、上腕二頭筋と上腕三頭筋）は互いに分離されるため、感覚フィードバックを生成する動的な収縮・伸展メカニズムが機能しなくなります。そのため、現在の切断手術を受けた患者は、義肢が触れる物理的な環境を感じる手段がありません。さらに、200年以上前から行われている現在の切断手術では、患者の3分の1が断端の痛みのために再手術を受けています。

AMI は、元々拮抗筋と主動筋の関係にあった 2 つの筋肉で構成されています。切断手術中、これら 2 つの筋肉は切断された断端内で機械的に連結されます。^{[ 33 ]}複数の義肢関節の制御と感覚を確立するために、患者の各関節自由度ごとに 1 つの AMI 筋肉ペアを作成できます。この新しい神経インターフェースの予備試験では、AMI を装着した患者は義肢の制御が向上したことを実証し、報告しています。さらに、従来の切断を受けた被験者と比較して、階段歩行中のより自然な反射行動が観察されました。^{[ 34 ]} AMI は、2 つの血管を切断した筋肉移植片の組み合わせによって構築することもできます。これらの筋肉移植片 (または皮弁) は、切断される四肢で見つかった切断された神経によって再神経支配されるために、体の 1 つの部分から神経を切断 (元の神経から切り離す) して取り出された余剰筋肉です。^{[ 33 ]}再生筋皮弁を用いることで、筋組織が極度に萎縮または損傷した患者、あるいは神経腫の痛み、骨棘などの理由で切断された四肢の再手術を受けている患者のためにAMIを作成することができる。

正常な生物学的シナプス信号を模倣する人工装具を設計するには、置換対象となる正常に機能する組織の非線形入出力（I/O）パラメータを正確に特性評価することが極めて重要です。^{[ 35 ] [ 36 ]}これらの信号の数学的モデリングは、「ニューロンとそのシナプス結合を構成する細胞/分子メカニズムに内在する非線形ダイナミクス」のために複雑な作業です。^{[ 37 ] [ 38 ] [ 39 ]}ほぼすべての脳ニューロンの出力は、どのシナプス後入力がアクティブであるか、および入力がどのような順序で受信されるかに依存します（それぞれ空間的特性と時間的特性）。^{[ 40 ]}

入出力パラメータが数学的にモデル化されると、通常の生体信号を模倣するように集積回路が設計されます。人工装具が正常な組織と同じように機能するためには、入力信号を正常な組織と同じように処理する必要があります。この処理は変換と呼ばれます。

埋め込み型デバイスは、脳に直接埋め込むために非常に小さくなければならず、おおよそ25セント硬貨ほどの大きさでなければなりません。マイクロ埋め込み型電極アレイの一例として、ユタアレイがあります。^{[ 41 ]}

無線制御装置は頭蓋骨の外側に取り付けることができ、ポケットベルよりも小型であるべきである。

消費電力はバッテリーのサイズを決定します。埋め込み回路の最適化により、電力要件が削減されます。埋め込みデバイスは現在、オンボード電源を必要とします。バッテリーが切れると、ユニットを交換するために手術が必要になります。バッテリー寿命が長くなると、バッテリー交換に必要な手術の回数が減ります。手術や配線なしで埋め込みバッテリーを充電するために使用できるオプションの1つは、電動歯ブラシで使用されているものです。^{[ 42 ]}これらのデバイスは、誘導充電を使用してバッテリーを充電します。もう1つの戦略は、無線周波数識別タグのように、電磁エネルギーを電気エネルギーに変換することです。

認知補綴装置は脳に直接埋め込まれるため、生体適合性は克服すべき非常に重要な障害です。装置の筐体に使用される材料、電極材料（酸化イリジウム^{[ 43 ]}など）、および電極絶縁材は、長期埋め込みに適した材料を選択する必要があります。準拠規格：ISO 14708-3 2008-11-15、外科用インプラント - 能動埋め込み型医療機器 パート3：埋め込み型神経刺激装置。

血液脳関門を通過すると、病原体やその他の物質が体内に入り込み、免疫反応を引き起こす可能性がある。脳には独自の免疫システムがあり、体の他の部分の免疫システムとは異なる働きをする。

無線伝送技術の開発により、個人の日常生活における神経信号を継続的に記録することが可能になる。これにより、医師や臨床医はより多くのデータを収集できるようになり、てんかん発作のような短期的な事象も記録できるため、神経疾患の治療や特性評価の改善につながる。

スタンフォード大学では、霊長類の脳神経を継続的に記録できる小型軽量の装置が開発されました。^{[ 44 ]}この技術により、神経科学者は実験室の管理された環境外で脳を研究することも可能になります。

神経補綴装置と外部システム間のデータ伝送方法は、堅牢かつ安全でなければならない。無線神経インプラントは、他のITシステムと同様にサイバーセキュリティ上の脆弱性を抱える可能性があり、これが「ニューロセキュリティ」という用語の由来となっている。ニューロセキュリティ侵害は、医療プライバシーの侵害とみなされる可能性がある。

ニューロセキュリティは、神経科学とサイバーセキュリティの両方の分野であり、神経デバイスとそれらが生成するデータを不正アクセス、操作、または干渉から保護することを含みます^{[ 45 ]}。神経インプラントは、他のネットワーク化された医療デバイスと同様に、特定の脆弱性がありますが、セキュリティ侵害の影響は独特です。深部脳刺激装置や人工内耳などのハードウェアへの攻撃は、患者をデータ漏洩のリスクにさらすだけでなく、患者の神経系に直接影響を与えたり、刺激のパラメータを変更したり、治療機能を妨害したり、その他の望ましくない神経学的影響をもたらしたりする可能性があります^{[ 45 ] [ 46 ]}。神経信号データには、認知状態、感情反応、意図を特定できるパターンなど、従来の医療記録には見られないタイプの情報も含まれており、現在の医療データ保護フレームワークでは対処されていないプライバシーリスクをもたらします^{[ 46 ]}。

埋め込み型神経デバイスには、さまざまな攻撃ベクトルが関心を集めている。現代のインプラントの大部分は、無線通信を使用してプログラムを書き込み、データを送信するため、インプラントは無線信号傍受の原理に従う傾向がある。これは、データ攻撃者がデバイスとリモートプログラマ間の無線信号を傍受するものである^{[ 47 ]}。埋め込み型医療機器に関する文献では、古い正当な信号がキャプチャされた後、それらが再送信されて不要なデバイス機能を引き起こすリプレイ攻撃も実証されている^{[ 47 ]}。文書化された攻撃のその他のカテゴリには、コンピューティングデバイスの通信チャネルに許可されていない命令を挿入するタイプの攻撃であるコマンドインジェクションと、攻撃対象のデバイスの電力使用量や電磁波放射などの物理的特性を観察することによって機密データを推測する攻撃であるサイドチャネル攻撃がある^{[ 47 ]}。神経セキュリティ研究の課題を明確に説明した初期の研究者の一人は、デニング、マツオカ、コーノ（2009）であり、彼らは、小型化、低消費電力、無線通信など、神経インプラントを臨床的に有用にする設計特性そのものが、特定のセキュリティ研究を必要とする攻撃対象領域の原因でもあると主張している^{[ 45 ]}。

埋め込み型医療機器やその他の医療機器のサイバーセキュリティに対する懸念の高まりを受け、米国食品医薬品局は2023年に、機器のサイバーセキュリティに関する品質システム上の考慮事項と市販前申請仕様を確立する新しいガイダンスを発表しました^{[ 48 ]}。この勧告は、セキュリティは展開後に後から追加するのではなく、設計段階で考慮されるべきであるという規制当局の認識が広まっていることを示しており、これは神経セキュリティの研究者が10年以上前にずっと前から支持していた原則です^{[ 45 ] [ 48 ]}。

このデバイスの埋め込みには多くの問題があります。まず、正しいシナプス前入力をデバイス上の正しいシナプス後入力に接続する必要があります。次に、デバイスからの出力を目的の組織に正確に照射する必要があります。そして最後に、脳がインプラントの使い方を学習する必要があります。脳の可塑性に関する様々な研究は、適切な動機付けを目的とした訓練によってこれが可能になる可能性を示唆しています。

局所電場電位 (LFP)は、組織の体積内のすべての樹状突起シナプス活動の合計に関連する電気生理学的信号です。最近の研究では、目標と期待値は、神経認知補綴に使用できる高レベルの認知機能であることが示唆されています。 ^{[ 49 ]} また、ライス大学の科学者は、ナノ粒子が付着している表面をわずかに変更することによって、ナノ粒子の光誘起振動を調整する新しい方法を発見しました。同大学によると、この発見は、分子センシングから無線通信まで、フォトニクスの新しい応用につながる可能性があります。彼らは、超高速レーザーパルスを使用して、金ナノディスク内の原子を振動させました。^{[ 50 ]}

克服すべき課題の1つは、電極の長期埋め込みです。電極が物理的な衝撃で動いたり、脳が電極の位置に対して動いたりすると、電極が異なる神経を記録してしまう可能性があります。最適な信号を維持するには、電極の調整が必要です。複数の電極アレイを個別に調整するのは、非常に面倒で時間のかかる作業です。自動調整電極の開発は、この問題を軽減します。アンダーソンの研究グループは現在、ユーチョン・タイの研究室とバーディックの研究室（いずれもカリフォルニア工科大学）と共同で、電気分解ベースのアクチュエータを使用して、慢性的に埋め込まれた電極アレイ内の電極を個別に調整するシステムを開発しています。^{[ 51 ]}

画像誘導手術は、脳インプラントを正確に配置するために使用されます。^{[ 49 ]}