念じただけでロボットアームが動き出す「ブレイン・マシン・インターフェイス」

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麻痺状態で動かなくなってしまった身体に機械を取り付け、まるで最初から自分の身体の一部であったかのように動かす技術が、現実のものになろうとしている。それを可能にするのが、「ブレイン・マシン・インターフェイス」だ。NHKスペシャル「NEXT WORLD」取材班は、カリフォルニア工科大学の研究グループを訪ね、その最新の研究成果を訊いた。

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WIRED、取材成果を独占公開!
現在、NHK(総合)にて放送されているNHKスペシャル「NEXT WORLD 私たちの未来」。『WIRED』では、番組の取材班が行った世界中の研究者や企業への広範な取材成果を、15回の連載記事として公開する(記事の一覧ページ)。今回は、先日放送された番組第3回「人間のパワーはどこまで高められるのか」(NHK総合)より、ブレイン・マシン・インターフェイスについてレポート。※第4回「人生はどこまで楽しくなるのか」は、1月29日(木)午前2:00〜再放送予定。

21世紀、爆発的に進化を続けているテクノロジーのひとつが脳科学だ。いまテクノロジーの力によって、人間の脳に秘められた能力を明らかにしようとする研究が進んでいる。脳の神経細胞信号を解読し、機器との間で情報伝達を行う「ブレイン・マシン・インターフェイス」(Brain Machine Interface/以下、「BMI」)というテクノロジーもそのひとつだ。

BMIの先駆的研究を続ける第一人者の1人、カリフォルニア工科大学のリチャード・アンダーセンの研究は、この技術を使って、「ロボット・リム」(Robotic Limb/ロボット肢)を動かすことだという。

研究の対象は、脊髄損傷や神経の難病によって首から下が麻痺状態になってしまった患者。自身の意思で手を動かすことは不可能だ。

通常、人はつかみたい物を見ると、その「つかみたい」という意思が、頭の中で処理され、脊髄、そして最終的には筋肉に信号として送られる。この一連のサイクルのなかで、人はものをつかむ。しかし、全身麻痺の患者はこのサイクルが途切れていれているため、「つかみたい」という情報は処理できても、最終的な動作まで達することができない。

アンダーセン氏らの研究は、「〜〜したい」という最初の意思がつくられる場所に、患者の了解を得て外科手術を施し、電極を埋め込んでしまうというものだ。そして、電極とケーブルを経由して脳と機械とつなげる。脳のどの部分に電極を埋め込むかは、fMRI(脳の活動を調べる画像計測装置)を使って決めるという。

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「患者に『つかむ』、または『手を伸ばす』などの動作を想像してもらいます。そうすると患者が麻痺状態であっても、ある動作について考えているときに脳のどの部位が活動するかを確認できる。まさにその脳領域に電極を埋め込みました。わたしたちが発見した『つかむ動作の領域』は、手が握るかたちをつくるときに活発に活動します」(アンダーセン氏)


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リチャード・アンダーセン|RICHARD A. ANDERSEN
カリフォルニア工科大学教授。神経科学、神経メカニズムの専門家。1979年、カリフォルニア大学で博士号を取得。1993年より、カリフォルニア工科大学で研究を続ける。©NHK 2015

意思を、信号として読み解く

電極を埋め込んだ場所から放出される、神経細胞集団の活動信号を、アルゴリズムを使って解読し、被験者の意思を読み解く。そして、ロボットアームに動作指令が出されていく。実験では、麻痺状態の患者が実際にロボットの義手を使ってコップを握ったり、握手することに成功したという。訓練を重ねていくごとに、自分の身体のように思い通りに動かせるようになると期待されている。

麻痺状態の患者が自身の意思で手を動かすことの喜びは大きい。それがたとえロボットアームであったとしても、だ。最初に研究に参加した患者は、10年間も麻痺状態が続いていたという。研究に参加したことにより初めて手を伸ばし、別の人の体に触れることができた。

同様の研究を行っているピッツバーグ大学の実験では、全身麻痺になった男性がなんと7年ぶりに妻の手に触れ、握ることができたという感動的な報告もされている。BMIは、麻痺患者に希望の光を与えるものだと言えよう。
 

ロボットの感触をフィードバック

さらに驚くべきは、アンダーセン氏の研究室ではロボットアームが物に触れた感覚を、患者の脳にフィードバックさせる研究も行われていることだ。ロボットの指を通して、物の重さや温もりなどのデータを脳に伝えることが可能になるだろうといわれている。

「ロボットアームの操作をより上手にするのが目的です。脊髄損傷の患者は四肢が動かせないだけではなく、感覚神経も切断されてしまうため感覚がなくなっています。ロボットアームを実用的に使うには視覚だけはなく、触覚も必要です。そのため、患者の手の感覚を司る部位に電極を埋め込みます。さらに、患者が使用しているロボットの指にセンサーを設けました。センサーの情報を、コンピューターが人工的な電気信号に変えて、患者の脳に送り込むのです」

患者本人がこの信号を実際どのように感じるのかは、まだ分かっていない。もしかしたら、普通の触感とは違う、人類が経験したことのない未知の感覚なのか。

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実験の成果は今年中にも発表される見込みで、アンダーセン氏も「患者がどんな感覚を感じるかはとても関心があります」と語る。すでに、次のステップとして刺激の信号を調整し、できるだけ自然な感触を作ることを目標に研究が進んでいるとも話す。

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BMIによって、人間の脳がさらなる進化を遂げる可能性も高い。©NHK 2015


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カリフォルニア工科大学で行われている最新研究の一コマ。ロボットアームがペットボトルを握った時のセンサー信号を、人間の脳に埋め込んだ電極に送る。©NHK 2015

場所はわからなくても、つかめる

アンダーセン氏たちが考える、BMIの進化はそれだけにとどまらない。現在開発中の技術に、ゲーム機に使われている3Dセンサー「キネクト・センサー」(Kinect Sensor)とのハイブリッド・システムがある。

例えば、患者が「ペットボトルをつかもう」と考えるとしよう。しかしながら、現状の技術ではロボットの細かい制御はまだ難しい。すると、キネクト・センサーが、空間の中の平らな表面とボトルのような円柱状の物体を自動的に探し出す。そして、ペットボトルを検知すると、ロボットアームが実際の動作を実行するという。研究室の学生は、次のように語る。

「神経データのみでアームを制御しようとしたら不安定な動きになってしまい、信頼性は低くなってしまいます。我々が開発しているのは、人間の神経データ、ようするに『動かそう』とする意思と、そして物を検知・操作するための自律制御システムの組み合わせからなる、ハイブリッド・システムなんです」

彼らの研究には、医師をはじめ、さまざまな分野に詳しい専門家の参加が必要不可欠だ。アンダーセン氏は医師ではないため、電極を脳に埋め込む外科手術はできない。ほかにもコンピューター理論、細胞集団の活動を解読するための理論、それぞれのエキスパートをはじめ一流の研究者が参加している。研究グループの一人、南カリフォルニア大学の神経外科医チャールズ・リュウ氏はこう語る。

「神経疾患に携わる者としてずっとくやしかったのは、脳がダメージを受けると元に戻せない、要するに完全に治ることはないということです。脳以外であれば心疾患でも患者は心臓発作から回復します。わたしは、神経系の失った機能を復元する方法をずっと探していたのだと思います」(リュウ氏)

脳の回路は固定的ではない

アンダーセン氏だけでなく、世界中のBMIの研究グループが現在取り組んでいるのが、「非侵襲的手法」。つまり電極を脳に埋め込むという外科手術をすることなく、情報伝達を行う技術の開発だ。これが実現すれば、麻痺状態になってしまった患者だけでなく、一般の人々の間での利用に大きな可能性も出てくる。

BMIのコンセプトは、煎じ詰めていえば、「念力のように、頭の中で考えるだけで機械を動かす」ことだ。将来、人間の脳は、コンピューターから直接送られる情報すら処理できるようになるのか。人間の脳と身体の関係を、テクノロジーが更新しようとしているのは間違いない。

「まさか、人間が意思だけで外部装置を操作する研究に携われるとは思いも寄りませんでした。わたしがこの研究を始めたころ、脳の回路は固定していると一般的に思われていたんです。しかし、研究が進んでいくなかで、脳が新しいことを覚えるのに高い柔軟性と能力をもっているということが明確になっていきました。BMIは、人類の未知の領域を切り拓く、エキサイティングな挑戦なのです」(アンダーセン氏)。

現在放送中!
NHKスペシャル「NEXT WORLD 私たちの未来」

最先端の研究を続ける世界の科学者、企業などへの取材と、その研究をもとにつくられた近未来ドラマで構成。5回にわたり、ビジネス、医療、エンターテインメントなどの分野で日々出現する新たなテクノロジーをかみ砕き、紹介する。さらに、番組のテーマ音楽を手掛けるサカナクションが最先端の映像技術を駆使したライヴを行い、ライゾマティクスの設計による番組ウェブサイトとも連動して展開する予定(番組公式サイト)。

WIREDでは、取材班が追った内容を独占公開、全15回の連載記事をお届けする(記事の一覧ページ)。

全5回の放送内容
第1回 放送終了
「未来はどこまで予測できるのか」
第2回 放送終了
「寿命はどこまで延びるのか」
第3回 放送終了
「人間のパワーはどこまで高められるのか」
第4回 放送終了
「人生はどこまで楽しくなるのか」
第5回 2015年2月8日(日)
「人間のフロンティアはどこまで広がるのか(仮)」

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