脊髄損傷後に脳を使って自然に歩く

Jan 16, 2024

Nature volume 618、pages 126–133 (2023)この記事を引用

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メトリクスの詳細

脊髄損傷により、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ます1,2。 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ました。 この脳 - 脊椎インターフェース (BSI) は、皮質信号 3 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ます 4、5、6。 信頼性の高い BSI は数分以内に校正されます。 この信頼性は家庭での単独使用時も含めて1年以上安定しています。 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ます。 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ました。 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ました。 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ます。

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ります7。 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ませんが、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ます8。 その結果、永久的な麻痺が生じます。

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ました9、10、11、12。 次に、事前にプログラムされた時空間シーケンスでこれらの後根進入ゾーンを動員すると、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ます 4,5,11,13,14。 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ました。 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実行したりするためのウェアラブルモーションセンサーが必要でした5。 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ませんでした。 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ました。

ここで我々は、脳と脊髄の間にデジタルブリッジ13、15、16、17、18、19があれば、筋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、障害のある人々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します。脊髄損傷による麻痺。

このデジタルブリッジを確立するために、我々は、無線かつリアルタイムで腰仙骨脊髄の皮質活動と刺激を記録できるようにする2つの完全に埋め込まれたシステムを統合しました（図1a）。

a, 64 個の電極で構成される 2 つの皮質インプラントが、ECoG 信号を収集するために感覚運動皮質上の硬膜外に配置されます。 処理ユニットは運動の意図を予測し、これらの予測を腰仙骨脊髄の後根入口ゾーンをターゲットとする硬膜外電気刺激プログラムの調整に変換します。 刺激は、16 電極パドル リードに接続された埋め込み型パルス発生器によって送られます。 b、皮質インプラントの位置の術前計画と術後の確認を報告する画像。 L、左。 Rさん、そうですね。 c、下肢の筋肉に関連する後根進入ゾーンをターゲットとするパドルリードの最適な位置を予測するパーソナライズされた計算モデル、および術後の確認。