その新しいロボット義手は、「手を動かす感覚」まで再現する

2018年5月28日 11時0分

バイオニックハンド（筋電義手）が、ゆっくりと閉じられていく。ほっそりとした金属製の指が機械音を立てて細かく揺れながら、見えないバトンを包み込むかのように、ゆるい拳の形ができる。義手を付けた被験者は「大丈夫、握れました」と言う。

被験者のアマンダ・キッツは、2006年に自動車事故で左腕を失った。フォードのピックアップトラックが彼女のメルセデス・ベンツに正面衝突してきたのだ。衝撃でトラックのタイヤが外れ、むき出しになった車軸がキッツのクルマに突き刺さって彼女の腕をズタズタにした。

キッツは「腕は完全にちぎれてしまったわけではありませんが、原型を留めていませんでした。もう救いようがなくて、木の枝を切るように切り落とすしかなかったのです」と言う。

手を動かす“感覚”も取り戻す

10年以上が経ったいま、キッツはクリーブランドクリニック医療センターの一室に座り、肩と上腕を覆う熱可塑性プラスチックのカヴァーを介してバイオニックハンドを操作している。十数センチだけ残った腕には、かつては手やひじから先の筋肉を指揮していた神経がつなぎ合わされて、上腕二頭筋や上腕三頭筋に命令を与えている。

これらの筋肉が発する電気信号をプラスチックカヴァーが読み取り、コンピューター制御された電動の手に伝えることで、思考による操作が可能になるのだ。キッツが「手を閉じたい」と思えば、手はそれに従う。

驚くべきは、キッツが自分でロボット義手を操れることではない。筋電義肢は目覚ましい進化を遂げており、本物のような動作を取り戻す選択肢が数多く存在するのである。

ここで素晴らしいのは、彼女が目隠しをしてノイズキャンセリングのヘッドホンを付けているにもかかわらず、義手の動きを把握できている点にある。キッツは手の動きや、それがどのあたりにあるのかを感じることができるのだ。

「手を閉じるだけでなく“感覚”を感じられます。そして実際に手が閉じているんです。すごいことですよね」と、彼女は話す。左の拳を残された右手と同じ形になるまで緩める。指が完全に伸びると、キッツは「開きました」と言った。

運動感覚の模倣に成功

神経生理学では、身体の動作や位置についての感覚を「運動感覚」と呼ぶ（より大きな「固有受容覚」というものもあるが、これは動作そのものより位置的な情報に関するものだ）。健常者が手を動かすと、感覚刺激が脳にその位置と動きを伝える。シャワーを浴びているときに落ちたシャンプーのボトルをつかんだり、左手に握った携帯電話を見つめながら右手でリュックをもち上げて背負うことができるのは、運動感覚のおかげだ。

運動感覚は一般的に、五感に次ぐ6つめの感覚とみなされる。触覚とはまったく別物だが、複雑な動作をするうえでは同じように重要だ。

しかしこれまでは、最も高性能な義手でも、脳に運動感覚に関する情報を送ることは不可能だった。クリーブランドクリニックの神経科学者で、感覚神経生理学を研究するポール・マラスコは、「つまり、義肢がどこにあるのかを把握するには、それを視覚的に見ているしかないということです」と説明する。

義手を付けている人がドアを開けようとするとき、常に目でその動きを確認している必要がある。まずはドアノブの位置を確認し、義手がドアノブに向かって動いてドアノブをつかんだのを見る。そしてドアノブが回ったのを目で確認してから、ドアを開けるといった具合だ。

振動刺激による擬似運動感覚システムを備えた筋電義手を被験者に装着した場合の概念図。運動感覚のフィードバックの経路（VCLM＝ボイスコイルリニアモーター）は青、義肢操作の経路（被験者による操作）は赤で、それぞれ示されている。IMAGE COURTESY OF P.D. MARASCO ET AL./SCIENCE TRANSLATIONAL MEDICIN

マラスコ率いる研究チームはこれに対して、義肢で運動感覚を模倣することに成功した。キッツのように腕を切断した人が運動感覚を取り戻せるインターフェースをつくり上げたのだ。結果は科学誌『Science Translational Medicine』に掲載された論文にまとめられている。

「ピノキオの錯覚」と呼ばれる現象

今回の研究で被験者は、ロボット義手でより細かく複雑な動きができるようになっただけでなく、その動きを認識していた。例えば、目で見ないで筒の形をした物体を握る、といった動作だ。マラスコは「わたしたちは人間の感覚統合システムにまで踏み込むことができたのです」と語る。

運動感覚をつくり出すには、神経生理学では「振動刺激による運動錯覚」と呼ばれる特異な現象を利用する。これは筋肉の腱に周波数70～115ヘルツの振動刺激を与えると、関節が動いているような錯覚が生じるというものだ。この錯覚は複数の関節で起こるほか、腕が普通ならあり得ない方向に曲がっていると感じるほど強いこともあるという。

また、身体のほかの部位を巻き込むこともできる。一例が「ピノキオの錯覚」と呼ばれる現象だ。鼻先をつまみながら上腕二頭筋の腱に振動刺激を与えると、肘関節が伸びて、手が顔からだんだん離れていくような感覚に陥る。

ただし、脳はより整合性のある説明を求めるため、関節が伸びて手が顔から離れていくと同時に、つままれた鼻も一緒に伸びていくような錯覚を覚えるのだ。マラスコは「こうした錯覚は非常に強力で、現実を覆すことができます」と言う。

指先の22種の動きが知覚できた

マラスコのチームは、電動の義足や義手が本物の手足に近い感覚をもたらすことができるのか、研究を行った。まず、被験者6人の胸筋から上腕二頭筋、上腕三頭筋（ここにはかつて、ひじから先の部分につながっていた神経がある）にかけて振動を与える。そして、失った手に感じた動きを反対側の残っているほうの手で再現するように頼んだ。

結果は驚愕に値するものだった。マラスコは個々の指や関節のちょっとした動きを感じる程度だろうと考えていたが、被験者は極めて複雑な動きが行われていると錯覚した。すべての指を一緒に動かさなければできないような、さまざまなポーズ（これは「知覚表象」という）がいくつも出てきたのだ。

最終的に全部で22種類の知覚表象が観察されたが、このうち被験者の間で最も再現性が高かったのが、前述の緩く握った拳、つまりリレーのバトンのような「円筒形」を握る形だ。また、親指と人差し指と中指の先端を合わせる「三脚」握りや、親指と人差し指を合わさる「つまみ」握りなどの知覚表象も、多くの被験者に共通して見られた。

イタリアにある聖アンナ高等師範学校のバイオロボティクス・インスティテュートで義手分野の主任を務めるクリスティアン・チプリアーニは、「振動刺激による錯覚は以前から知られていましたが、これを四肢を失った患者と関連づけた実験は初めてです」と話す。

チプリアーニは今回の研究には参加していないが、これほどさまざまで特徴的な手のポーズが観察されたことは驚くべきだことだと指摘する。またそれ以外にも「素晴らしいのは、この錯覚が失われた神経の代わりにつなぎ直した神経でも機能するのが発見された」ことだという。

知覚表象のライブラリー化という仮説

被験者が、なぜこれほど複雑な錯覚を感じたのかは明らかになっていない。だが、研究チームは次のような仮説を立てている。

脳は知覚表象をゼロから築き上げるのではなく、手がとりうる無数のポーズを、命令を出すうえで便利なようにいくつかの構成要素に分解する。そして、実際の動きに対応する運動感覚と合致するように、これに微調整を加えるというものだ。

コップをつかみたいときには円筒形の握りを選ぶだろうし、テーブルに落ちたパンくずを拾うときには三脚握りの知覚表象を採用するかもしれない。マラスコは「わたしたちが実験で目にしたのは、基本的にはこの構成要素のライブラリーの一部ではないかと考えています」と説明する。

しかし、これだけでは不十分だ。患者の腕に振動を与えると、失われた手が動いたかのように感じさせることができるというのは興味深い事実ではあるが、治療上は何の意味もない。この研究を有用なものにするには、「手の動きの感覚」と「手を動かすという意思」とを組み合わせる必要があった。

“偽”の運動感覚がもたらす双方向性の実現

そこで開発されたのが、双方向性のある神経システムを実現するインターフェースだ。既存のバイオニックハンドでは、腕をコントロールしていた神経繊維を上腕筋や胸筋など残った筋肉につなぎ直し、ここから電気信号を送って義手を動かす。マラスコのチームは、この一方向の動きに運動感覚のフィードバック信号を加えた。被験者の思考に反応して手が動いたときに神経部分に振動刺激を与えることで、いわば偽の運動感覚を作り出すようにしたのだ。

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錯覚ではあるにしろ、リアルタイムの運動感覚があることで、被験者のバイオニックハンドのコントロール力はわずか数分で急激に向上した。例えば円筒形握りでは、実際の動きと振動による擬似運動感覚とが関連づけられると、被験者は手を見なくても、4分の1、半分、あるいは4分の3のように握る途中で止められるようになった。しかも被験者たちは、健常者と同じくらい上手に手を動かすことができたのである。

研究チームはこれを臨床に応用するために、擬似運動感覚システムを取り付けたバイオニックハンドを用意し、キッツに装着した。そして、「操作」と「体現」（つまり、ただの「腕」を動かすことと「自分の腕」を動かすこと）の境界が崩れたのだ。

さらなる小型化が課題に

シカゴにあるリハビリ専門施設シャーリー・ライアン・アビリティラボのバイオニック・メディスン・センターで名誉所長を務めるトッド・クイケンは、「この研究が優れているのは、患者に手が動いているという感覚だけでなく、自分が手を動かしているのだという感覚を与えることができる点です」と言う。「手を閉じたり開いたりといった単純な感覚でも、何も感じられないよりははるかにましです。この研究によって、患者が運動感覚を取り戻せるということが示されたのです」

クイケンはマラスコの研究には関わっていないが、次の課題はより微細な信号でもやりとりできるシステムを開発することだと話す。「すべてが同じ場所で行われているので、面積的な問題があります。手を動かす信号を読み取るのと同じ場所の皮膚に、運動感覚のフィードバックも与えようとしているのです。不可能ではないにしても、簡単ではありません」

幸いなことに、すでに埋め込み式の電極で電気信号を収集する実験が始まっているという。クイケンは「これで今回のような研究の未来がさらに広がるかもしれません」と述べる。

擬似運動感覚があるバイオニックハンドは人生観を変えてしまうほど衝撃的だった、とキッツは言う。「ロボット義手の操作を学ぶためにパターン認識の訓練を何年もやりました。考えるだけで自分の腕を動かすことができるようになったときは最高でした。でもこれは、もう完全に別次元のものですね」