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［脳と脊椎のインターフェースを使用した脊髄損傷後の自然な歩行］というネイチャーに掲載された論文

 

脳と脊椎のインターフェースを使用した脊髄損傷後の自然な歩行

nature.com 2023/05/24

Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface

概要

脊髄損傷では、脳と歩行を生み出す脊髄領域との間の通信が遮断され、麻痺が引き起こされる。

今回、私たちは脳と脊髄の間にデジタルブリッジを介してこのコミュニケーションを回復し、慢性四肢麻痺の人が地域環境で自然に立ったり歩いたりできるようにした。

この「脳 – 脊椎インターフェース (BSI) 」は、皮質信号と、歩行の生成に関与する脊髄領域をターゲットとする硬膜外電気刺激のアナログ変調との間の直接リンクを確立する完全に埋め込まれた記録および刺激システムで構成されている。信頼性の高い BSI は数分以内に校正される。

この信頼性は家庭での単独使用時も含めて 1年以上安定している。参加者は、BSI により、立ったり、歩いたり、階段を登ったり、複雑な地形を横断したりする際の脚の動きを自然に制御できるようになったと報告している。

さらに、BSI によってサポートされた神経リハビリテーションにより、神経学的回復が改善された。参加者は、BSI のスイッチがオフになっている場合でも、地上で松葉杖を使って歩く能力を取り戻した。

このデジタルブリッジは、麻痺後に運動の自然な制御を回復するためのフレームワークを確立した。

主要

歩くために、脳は腰仙骨脊髄にあるニューロンに実行命令を送る。脊髄損傷の大部分はこれらのニューロンに直接損傷を与えないが、下行経路の破壊により、これらのニューロンが歩行を行うために必要な脳由来の指令が中断される。その結果、永久的な麻痺が生じる。

我々は以前、腰仙骨脊髄の個々の後根侵入ゾーンを標的とした硬膜外電気刺激により、特定の脚の運動プールの調節が可能になることを示した。

次に、これらの後根進入ゾーンを事前にプログラムされた時空間シーケンスで動員すると、立位と歩行の基礎となる脚の運動プールの生理学的活性化が再現された。

これらの刺激シーケンスにより、脊髄損傷による麻痺のある人々の立位と基本的な歩行が回復した。

ただし、この回復には、残りの動きから運動の意図を検出したり、事前にプログラムされた刺激シーケンスを開始するための代償戦略を行うためのウェアラブル・モーションセンサーが必要だった。その結果、歩行の制御は完全に自然なものとして認識されなかった。さらに、参加者は、変化する地形や自発的な要求に脚の動きを適応させる能力が限られていたことが示された。

ここで我々は、脳と脊髄の間にデジタルブリッジを設置することで、筋肉活動のタイミングと振幅を意志的に制御できるようになり、脊髄損傷による麻痺を伴う人たちの立位と歩行のより自然で適応的な制御が回復されることを提案する。