麻痺した筋の皮質ニューロンによる直接制御

（nature 2008年12月4日号Vol.456 No7222 / P.639-642）

麻痺した筋の皮質ニューロンによる直接制御
脊髄損傷による麻痺の治療法として、
脳からの制御信号を人工的な接続によって、
損傷部周辺へ伝送する方法が考えられる。

こうした信号が、筋の電気的刺激の制御に使われれば、
麻痺した四肢の随意運動を復活させられる可能性がある。

従来の実験では、実際の運動または仮想的な運動に関連する
運動皮質の活動を用いて、コンピューター画面のカーソルや
ロボット腕を動かすことや、麻痺した筋を機能的な電気刺激で
動かすことに、それぞれ別個に成功。

本論文では、サル（ブタオザル；Macaca nemestrina）が、
運動皮質中のニューロンの活動を使って筋を直接刺激することができ、
一時的に麻痺させた腕に目標到達運動を復活させたことを報告。

重要なのは、ニューロンがどのような運動と関連していたのかには関係なく、
この機能的刺激の制御が可能だったことで、
この知見によって、脳-機械インターフェースの制御信号源の選択肢は
大きく広がることになる。

サルは、この皮質細胞から筋への人工的接続を使って
手首を両方向に回転させることを覚え、
ニューロン-筋の複数対を同時に制御できるようになった。
皮質活動から筋刺激へのこのような直接的変換は、
自律的な電子回路で行うことも可能であり、
かなり自然に近い神経プロテーゼができそうである。

今回の結果は、皮質細胞と筋との人工的な直接接続によって、
分断された生理的経路を補償し、麻痺した四肢の運動の随意制御に
成功した最初の実例となる。

[原文]Direct control of paralysed muscles by cortical neurons

Chet T. Moritz1, Steve I. Perlmutter1 & Eberhard E. Fetz11.Department of Physiology & Biophysics and Washington National Primate Research Center, University of Washington, Seattle, Washington 98195, USA

A potential treatment for paralysis resulting from spinal cord injury is to route control signals from the brain around the injury by artificial connections. Such signals could then control electrical stimulation of muscles, thereby restoring volitional movement to paralysed limbs1, 2, 3. In previously separate experiments, activity of motor cortex neurons related to actual or imagined movements has been used to control computer cursors and robotic arms4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, and paralysed muscles have been activated by functional electrical stimulation11, 12, 13. Here we show that Macaca nemestrina monkeys can directly control stimulation of muscles using the activity of neurons in the motor cortex, thereby restoring goal-directed movements to a transiently paralysed arm. Moreover, neurons could control functional stimulation equally well regardless of any previous association to movement, a finding that considerably expands the source of control signals for brain-machine interfaces. Monkeys learned to use these artificial connections from cortical cells to muscles to generate bidirectional wrist torques, and controlled multiple neuron-muscle pairs simultaneously. Such direct transforms from cortical activity to muscle stimulation could be implemented by autonomous electronic circuitry, creating a relatively natural neuroprosthesis. These results are the first demonstration that direct artificial connections between cortical cells and muscles can compensate for interrupted physiological pathways and restore volitional control of movement to paralysed limbs.

http://www.m3.com/tools/MedicalLibrary/nature/200812/nature/7222/01.html