バイオテクノロジー
ブレイン・コンピュータ・インターフェース（BCI）のブレークスルー：障がい者が能力を回復し、繁栄できるよう支援
技術の進歩は非常に速いペースで進んでおり、障がいを持つ人々は今や心だけで話したり、歩いたり、ゲームをしたり、さらに多くのことができるようになっています。
この開発は ブレイン・コンピュータ・インターフェース（BCI）技術の進歩 によって推進されています。 BCIは、脳波だけでコンピュータなどの外部デバイスを制御できるようにします。これらのインターフェースは、脳信号を取得し、解析し、出力デバイスに送信できるコマンドに変換することで機能します。
BCIは、脳卒中、神経変性、脊髄損傷などの状態で失われた機能を回復させることで、障がい者を支援するなど、幅広い応用が可能です。視覚、言語、運動機能といった能力を回復させることで、BCIは人間の能力を向上させる可能性を示しています。
脳から信号を取得する方法に応じて、ブレイン・コンピュータ・インターフェースは次のように呼称されます：
- 侵襲的（Invasive）― 電極が皮質に直接埋め込まれる
- 半侵襲的（Semi‑invasive）― 電極が露出した脳表面に配置される
- 非侵襲的（Non‑invasive）― 電極が頭皮上に配置される
過去10年間で、BCI技術の研究開発は大幅に進展しました。最近の進歩により、重度の麻痺を持つ人々が脳信号をテキストに変換してコミュニケーションできるようになり、義肢や筋肉の制御も可能になっています。BCIは記憶向上、学習促進、メンタルヘルス問題への対処にも探求されています。
BCI分野で多くのことが進んでいる中、科学者が最近達成した画期的な成果を見てみましょう。
高精度で音声機能を回復する
今月発表された研究で、研究者は新しいBCIを開発し、脳信号を音声に変換することに成功しました。その正確性は最大で97％に達し、同種のシステムの中で最も高い精度の一つです。
このセンサーは、筋萎縮性側索硬化症（ALS）により重度の発話障害を抱えていた45歳のケース・ハレル氏の脳に埋め込まれました。ALSはルー・ゲーリッグ病とも呼ばれ、全身の運動を制御する神経細胞が徐々に失われ、歩行・立位・発話能力が徐々に失われていく神経疾患です。
ハレル氏がBrainGate臨床試験に参加した当初、彼の発話は聞き取りにくく、他者が解釈を手助けしていました。しかし、BCIシステムを起動して数分で、彼は意図した言葉を伝えることができるようになりました。
UCデイビス・ヘルスは、言語でのコミュニケーションが困難な神経疾患患者向けにこの新しいBCI技術を開発しました。
ユーザーが話そうとすると、新システムは脳信号を解釈し、テキストに変換したうえでコンピュータが音声として読み上げます。
「我々のBCI技術は、麻痺を持つ男性が友人や家族、介護者とコミュニケーションできるよう支援しました。」
– デビッド・ブランドマン、共同シニア著者・共同主任研究者、UCデイビス神経外科医
彼はさらに、今回の実験が「これまで報告された中で最も正確な音声ニューロプロテーゼ（装置）」であると付け加えました。
ブランドマン氏はUCデイビス神経外科部門の助教授であり、UCデイビス・ニューロプロテーゼ研究所の共同ディレクターでもあります。昨年7月にBCIデバイスを埋め込み、左前中心回にある音声協調領域に256本の皮質電極を持つ4つのマイクロ電極アレイを配置しました。
このデバイスにより、患者が筋肉を動かしたり話そうとする試みが検出されます。
「我々は、筋肉に指令を送ろうとしている脳の部位から信号を記録しています。そして基本的にその信号を聞き取り、脳活動のパターンを音素（音節や音声単位）に変換し、患者が言おうとしている単語へと変換しています。」
– 神経科学者セルゲイ・スタヴィスキー、共同主任研究者、UCデイビス神経外科部門助教授・ニューロプロテーゼ研究所共同ディレクター
BCI技術は長年にわたり大きく進歩しましたが、コミュニケーションを可能にする取り組みは遅く、単語エラーが頻発していました。これは、脳信号を解釈する機械学習プログラムが大量の時間とデータを必要とするためです。
新システムは、ユーザーが常に正確に理解されるようにするというコミュニケーションの壁を取り除くことを目指しています。
「我々の目的は、話したいときにいつでも相手に理解してもらえるシステムを開発することでした。」
– ブランドマン
患者は自発的な会話と指示された会話の両方でシステムを使用しました。いずれの場合もリアルタイムでデコードが行われ、常に正確に動作し続けました。デコードされた単語は画面に表示され、コンピュータが音声で読み上げました。
音声として読み上げられた声は、ALSになる前の患者本人の声でした。そのため、研究者は患者のALS前の音声サンプルで訓練されたソフトウェアを使用しました。
最初の音声データ訓練セッションでは、システムはわずか30分で語彙50語に対し99.6％の単語精度を達成しました。次のセッションでは、追加で1.4時間の訓練データで語彙125,000語に対し90.2％の精度を得ました。継続的にデータを収集することで、BCIは97.5％の精度を維持しました。
このように、インプラントされた人が言っていることを約97％の確率で正確にデコードできることは、ブランドマン氏によれば「多くの市販スマートフォンアプリよりも優れている」と評価されています。
研究は32週間にわたり84回のデータ収集セッションを実施し、患者はビデオチャットや対面で248時間以上BCIを用いてコミュニケーションを行いました。
ユニークなBCIシステムでコミュニケーションとモビリティを強化する
ここ数か月での大きな進展はカーネギーメロン大学からもたらされ、研究者は双方向BCI機能を実現しました。この成果により、脳信号の解釈と感覚フィードバックを脳に直接返す能力が向上しました。
バイオメディカル工学の教授であるビン・ヘ教授とそのチームは、焦点超音波刺激を統合し、初めて双方向コミュニケーションを実現しました。
25人の被験者を対象とした研究では、双方向BCIが機械学習を用いて脳波をエンコード・デコードし、非侵襲的BCIの信号品質と全体的な性能を大幅に向上させる可能性が示されました。
非侵襲的BCIは安全で低コストですが、頭皮上から信号を取得するため、信号の質に限界があります。
そのため、カーネギーメロン大学のチームは非侵襲的BCIの有効性向上に取り組んでいます。この取り組みは、ディープラーニングを用いて思考内容をデコードし、ロボットアームやカーソルの制御を可能にしました。最新の研究では、焦点超音波を用いた高精度な非侵襲的ニューモジュレーションにより、EEGベースのBCI通信性能が大幅に向上したことが示されています。
被験者は「BCIスペラー」と呼ばれる視覚的モーション支援ツールを使用し、文字を見るだけで単語を綴ることができました。
研究では、被験者はEEGキャップを装着し、文字を見るだけでEEG信号を生成して希望する単語を綴りました。
研究者は、視覚皮質のV5領域に焦点超音波ビームを当てることで、被験者の非侵襲的BCI性能を大幅に向上させました。
「BRAINイニシアチブは開始以来60以上の超音波プロジェクトを支援しています。この非侵襲的記録・調節技術のユニークな応用は、ツールキットを拡張し、コミュニケーション障害を抱える人々への支援にスケーラブルな影響を与える可能性があります。」
– Dr. Grace Hwang、NIH BRAINイニシアチブ・プログラムディレクター
しかし、昨年も大きな進展がありました。脊髄損傷を受けた麻痺患者が、単に立ち上がるだけでなく自然に歩行できるようになったのです。この脳‑脊髄インターフェースはPhysics World 2023の「年間ブレークスルー」に選ばれました。
このシステムは、脚の動きに関連する脳活動を記録するデバイスと、脊髄を電気刺激して脚の筋肉を制御するデバイスの2つの完全埋め込み型装置で構成されました。これにより、四肢麻痺の患者が「デジタルブリッジ」を介して歩行できるようになりました。
脳からのECoG信号は、頭蓋骨と同厚のチタンケースに埋め込まれた64チャンネル電極グリッドでモニタリングされました。
この技術は、皮質表面の活動を記録できる独自の埋め込み医療デバイス「WIMAGINE」を基に開発されました。リアルタイムで患者の運動意図をデコードする専用AIアルゴリズムも作成されました。
臨床試験では、10年前に自転車事故で頸椎不全損傷を負った38歳男性が、脳に2つのデバイス、腰椎にパドルリードを外科的に埋め込みました。
BSIを使用して、患者は階段の昇降、障害物の回避、変化する地形の走破が可能となり、1年以上にわたり監督なしで安定的に使用できました。
しかし、BCIデバイスの安全性はどうでしょうか？
このような進展がある一方で、脳データの取り扱いやサイバーセキュリティ脅威（脳タッピングや誤誘導刺激攻撃）に関する懸念が多数指摘されています。もう一つ大きな懸念は、ブレイン・コンピュータ・インターフェースの安全性プロファイルです。
侵襲的BCIでは、脳感染、組織損傷、発作、出血、出血性ショックのリスクがあります。対照的に、非侵襲的BCIは長時間の電磁波曝露により頭痛、眼精疲労、皮膚刺激などが起こる可能性があります。
これらの懸念は正当ですが、ブラウン大学研究者による研究は、BrainGate技術をテストした臨床試験の約20年分の安全データを分析し、重篤な有害事象の発生率が低いことを示しました。
BrainGate BCIは20年以上の開発歴があり、最新の研究はこの神経技術が麻痺患者の思考を動作に変換し、失われた神経機能を回復させる可能性を持つことを評価し続けるべきだと結論付けています。
ブラウン大学の脳科学教授であり、BrainGate学術コンソーシアムのディレクターであるリー・R・ホフバーグ博士は次のように述べています：
「皮質内ブレイン・コンピュータ・インターフェースの最大規模試験における中間安全性プロファイルは、これらのシステムが麻痺患者のための修復的神経技術になる可能性を支持しています。」
皮質内BCIはモビリティとコミュニティ復帰に大きな可能性を示していますが、ホフバーグ博士は「デバイスが許容できる低リスクで伴うかどうか」が実際の患者ケアへの転換に不可欠だと指摘しています。
安全性に関する報告は、18〜75歳の四肢麻痺患者14名（ALS、脊髄損傷、脳幹卒中）を対象に、合計12,200日以上の安全データを評価しました。
2004年から2021年にかけて、これらの患者が試験に登録された期間中、デバイスに関連する有害事象は68件報告されました。最も一般的な問題はデバイス部位の皮膚刺激でした。
手術手技に起因する有害事象は6件確認されました。外傷性脳損傷の既往歴がある2名は手術後に一時的な発作を起こしましたが、すぐに治療できました。
有害事象はすべて予測可能な範囲内であり、神経系の感染やデバイス除去が必要になるような重篤な障害は発生しませんでした。
BrainGate神経インターフェースの安全性に関する安心できる結果は大きな前進ですが、デバイスを完全に埋め込み、24時間365日利用可能にするための課題は依然として残っています。
BCI分野で躍進する企業
Synchron、Blackrock Neurotech、Kernel、Emotivなど、多くの組織がこの技術の進歩と医療・認知・エンターテインメント分野への応用を探求しています。
これらの企業の大半は非上場であり、上場企業がこの領域で活躍する例は稀です。上場している企業は大企業の子会社であることが多いです。例えば、非侵襲的BCIデバイスを開発したNextMindはSnap Inc.に買収されました。また、神経インターフェーススタートアップのCtrl‑labsはMeta（旧Facebook）に買収されました。
それでは、BCI技術の最前線に立つ注目企業を見てみましょう：
#1. Neurable
Neurableは、脳信号の翻訳とBCI技術のためのAI搭載ツールを開発する神経テクノロジー企業です。2024年5月に同社は1300万ドルの資金調達を実施し、創業以来の総調達額は3000万ドルを超えました。2019年末にはシリーズAで600万ドルを調達し、VR応用を超えて非侵襲的BCIの開発に取り組み、世界初のマインドコントロールVRゲームを発表してから2年が経過しました。
新たな資金調達により、同社は技術を「すべての人が利用できる」ようにしたいとCEOのラムセス・アルカイデ博士は語っています：
「私たちは、人々が自分自身の脳を理解し、人間のパフォーマンスを最適化し、世代が直面する最も差し迫った健康課題を克服できるよう支援しています。」
#2. Precision Neuroscience
同社は最近、ヒト脳に合計4,096本の電極を配置し、皮質データを記録する世界記録を樹立しました。この開発は、Precision Neuroscienceがレイヤー7皮質インターフェースをテストする過程で実現しました。この成果は、脳を「はるかに深く」理解する手助けになると期待されています。
Precision Neuroscienceは、Neuralinkの共同創業者でありながら安全性への懸念から同社を離れた神経外科医ベンジャミン・ラポートによって設立されました。
#3. Neuralink
イーロン・マスクが創業したNeuralinkは、米国拠点の民間企業で、高帯域幅BCIを開発し、神経疾患の治療や将来的な人間の認知能力向上を目指しています。同社は大量のニューロンを読み取り・刺激できる埋め込みデバイスの作成に注力しています。
最近では、Neuralink脳チップを装着した2人目の被験者が、完全に脳に固定された状態で人気ゲーム『Counter‑Strike 2』をプレイしました。このチップは先月植え込まれ、患者は「スムーズ」な回復を示しました。患者は脊髄損傷により四肢の制御を失っていました。
最初の患者では、85％の電極が脳からずれたものの、依然としてインプラントは有効に使用できました。企業はこの問題を回避するためにいくつかの対策を講じ、現在までにスレッドの引き抜きは観測されていません。
Lex Fridmanのポッドキャストでの最新出演時に、マスク氏はチップで強化された脳を持つ人間がプロのゲームプレイヤーに勝つ日も遠くないと予測しました。将来的には、AIと人間の共生を深化させ、個人の大規模コミュニケーション能力を向上させることがNeuralinkの長期目標だと語っています。
結論
BCI技術はここ数年で大きな注目と勢いを集めており、その進展は止まる気配がありません。実際、新たな記録やブレークスルーが次々と達成され、障がい者がより充実した生活を送れるだけでなく、健康な人間の能力向上の可能性も示しています。
この技術の実装への道のりはまだ長いものの、継続的な進歩により、かつてはサイエンスフィクションの領域だったものが現実になる日が近づいています。
