脳コンピューターインターフェースが現実に：5人の脳科学者による最新の知見

脳は複雑かつ神秘的であり、脳の研究は人類の究極の探求の一つと考えられています。科学的探究の中で最も複雑な分野の一つである脳の研究は、魅力的であると同時に困難でもあります。

脳コンピューターインターフェース技術は人類の退化を引き起こすでしょうか？脳コンピューターインターフェース技術が応用されると、人間の自由意志は他人によって操作されるようになるのでしょうか?人間の脳を使って人間の脳を研究することで、私たちが本来持っている主観性を克服するにはどうすればいいのでしょうか?脳コンピューターインターフェースは人間の無限の可能性を引き出すことができるのでしょうか?

これらの質問は非現実的で無理があるように思えるかもしれませんが、そうではありません。 10年前のSF小説や映画のワンシーンが、科学技術によって現実のものとなりました。たとえば、私たちは、脳コンピューターインターフェース技術によって人の運動能力を回復させ、脳損傷患者が思考を通じて簡単な方法でコミュニケーションできるようになることを証明しました。近年、脳コンピューターインターフェース技術は頻繁に新たな発展を遂げていますが、脳コンピューターインターフェースに対する一般の認識と現実の間には依然としてギャップがあります。この複雑な研究​​分野における現在のボトルネックは何でしょうか?脳コンピューターインターフェース技術の研究はどの段階に達していますか?どのような新しい技術が登場しているのでしょうか?

9月16日、天橋・陳秀麗研究所（TCCI）が主催した国際フォーラム「大衆のための神経技術」において、中国、米国、ドイツ、オランダ、シンガポールの5人の国際的に著名な科学者が最先端の神経技術を共有し、臨床、心理学、リハビリテーションの分野におけるこれらの技術の応用の進歩について詳細に議論しました。このフォーラムでは、一般の人々が抱く最も困惑する疑問に答えます。さらに深く掘り下げて、脳を研究する「最強の頭脳」たちが脳コンピューターインターフェースにどのような最新の進歩をもたらしたかを見てみましょう。

起源を辿る：脳を解読するという人類の夢が実現

ドイツの精神科医ハンス・ベルガーが脳波を発見して以来、科学者たちは1930年代初頭から、これらの脳波が何を意味するのか疑問に思い始めていました。それ以来、人々は多くの試みを行ってきました。例えば、脳波をモニターしながら、被験者は文字を想像して文章を綴ったり、あるいは文章を直接想像してコンピューターに解読させたりして、患者が「思考」を通じて直接外界とコミュニケーションをとることができるようにしている。かつては「SF」と考えられていたものが、今では徐々に現実になりつつあります。

現在、侵襲性神経技術（脳深部電極など）は、主にパーキンソン病やてんかんなどの治療に臨床現場で使用されています。これらは正確かつ効果的である一方で、政策監督、高価格、不明確な原則などの課題にも直面しています。対照的に、睡眠ポリグラフ検査などの非侵襲的技術は承認されやすいが、精度は劣る。

（ゲルウィン・シャルク教授が神経技術を応用した人間の言語解読に関する研究を紹介）

フォーラムでは、天橋脳科学研究所応用神経工学フロンティアラボ（TCCIフロンティアラボ）所長のゲルウィン・シャルク教授が、脳科学者の研究を生き生きと説明した。「スタジアムの外にマイクを置くようなものです。スタジアム内の音は聞き取りにくいですが、スタジアムの外にマイクをたくさん置けば、より多くの情報を収集できます。これが今私たちがやっていることです。」

神経技術の応用は過去 1 世紀にわたって急速に発展してきましたが、患者や一般大衆に実際に適用できる成功例はほとんどありません。実験室での研究から最終的な応用までには、まだ長い道のりがあり、複数の分野の統合と共同構築が必要です。シャルク教授のチームが開発した脳コンピューターインターフェース研究システムは、目覚ましい成果を達成しました。脳の機能領域を検出するための従来の電気刺激には数時間かかることがあるが、シャルク教授のチームが開発したシステムではわずか数分で済む。現在、このシステムは世界中で広く使用されています。シャルク教授は将来に向けて、天橋脳科学研究所（TCCI）で、中国語に関係する脳領域の詳細な研究など、中国の大規模な人口に適した脳コンピューターインターフェース技術の研究を継続したいと考えています。

脳科学の分野は複雑ですが、上昇スパイラルで前進し続けています。一流の脳科学者であるシャルク教授は、脳科学の探究は美しい概念やデザインだけに焦点を当てるのではなく、実際的である必要があると考えています。科学界は、実践的な問題を解決するために継続的かつ体系的な努力をしなければなりません。脳科学の分野を深く探究することで、脳をまったく新しい次元で理解できるようになります。

メタブレイン: デジタル技術を使って人間の脳をシミュレートする

脳のさらに奥深くに潜り込み、デジタル技術を応用して脳の動的な状態を復元し、デジタル脳を構築すれば、脳を鮮明に理解し、探求できるようになります。たとえば、病気の状態になると、脳は一連の変化を起こします。対応するデジタル脳を構築し、病気の動的な発達と進化を復元できれば、病気のメカニズムをより深く理解し、より正確な予測と治療計画の策定に役立つ可能性があります。

（洪波教授はメタブレインの概念とメタブレイン動的システムの構成を紹介しました）

フォーラムでは、清華大学生体医工学部の洪波教授が、「メタブレイン」という新たな概念と、この分野で彼のチームが行っている関連研究について発表しました。 「数え切れないほどの美しい数式が人間の脳の働きの仕組みを説明できると想像するのは難しいかもしれません。」会議で洪波教授は、メタブレインの概念は、脳コンピューターインターフェース技術を使用して脳の動的デジタルモデルを構築し、脳の機能的動作の理解を深め、生理学的および病理学的プロセスを再現し、最終的に応用目標を達成することであると紹介しました。

メタブレインを急速に発展させる機会は、神経画像診断、脳波検査、コンピューター技術など、メタブレインの研究を深めるのに役立つ最先端技術の発展を活用することです。洪波教授は、静的メタ脳、動的興奮メタ脳、さらには動的てんかん脳など、脳のデジタル再構築に関して多くの科学者が行った研究を紹介しました。こうした脳のデジタル再構築作業はすべて、将来の病気に強いデジタル脳とデジタルツイン脳を構築するための基礎を築いています。

脳コンピューターインターフェース技術が発展し続ける中、最大の論争は倫理的リスクから生じています。脳科学の分野における倫理的議論にはさまざまな意見があり、支持者も反対者も正当な立場を持っています。脳科学分野の上級科学者である洪波教授は解決策を提案した。洪波教授は、現時点では脳コンピューターインターフェースはまだ研究段階にあり、すべての研究実験は被験者のインフォームドコンセントを得る必要があるため、当面の倫理的リスクは比較的小さいと考えている。将来、脳コンピュータインターフェース技術が普及すると、人間の脳や意識が潜伏、検出、さらには遠隔侵入されるリスクが高まり、深刻な社会問題を引き起こす可能性があります。おそらく将来、遺伝子編集の倫理的リスクから、脳コンピューターインターフェース技術の応用に対する倫理的なアプローチを学ぶことができるだろう。

脳コンピューターインターフェース + 心理学: 心と心の間のコミュニケーションの架け橋を再構築する

現在、世界人口の 20% が神経疾患を患っており、その半数は精神衛生に関連するもので、約 10 億人が影響を受けています。主な治療法は薬物療法と心理療法ですが、効果を得るには長期にわたる治療が必要になる場合が多くあります。脳コンピューターインターフェースは精神衛生の治療に大きな可能性を秘めています。

たとえば、臨床的な閉じ込め症候群における脳コンピューターインターフェース技術の応用。オランダのユトレヒト大学医療センターのニック・ラムジー教授によると、閉じ込め症候群は運動ニューロン疾患、脳卒中、筋萎縮性側索硬化症などの病気の後期に発生する可能性があるという。患者は意識があるものの、まぶたしか動かせないため、外界とのコミュニケーションが困難になり、大きな痛みを伴います。こうした患者の生活の質を向上させるために、ラムゼイ教授のチームは長年研究を続けてきました。

（ニック・ラムゼイ教授が、脳コンピューターインターフェース技術の恩恵を受けた閉じ込め症候群患者の事例を紹介）

ラムジー教授のチームは、閉じ込め症候群の患者が外界と独立してコミュニケーションをとることができる家庭用脳コンピューターインターフェースデバイスを開発した。以前、研究者らはこのシステムを、進行した閉じ込め症候群を患う58歳の患者に適用していた。解読ソフトウェアのアルゴリズムにより、患者は繰り返し練習した結果、1分間に約2文字を入力できるようになり、正確率はほぼ90%になりました。関連する症例は2016年にニューイングランド医学ジャーナルに掲載されました。現在、6年以上が経過していますが、患者は依然として1日最大20時間このデバイスを使用しています。この装置は患者にとって外界と通信するための唯一の手段となった。

さらに、ラムジー教授は、患者が外界と直接コミュニケーションをとることを可能にする他のいくつかの技術研究の進歩も紹介しました。たとえば、人間の発声器官（喉、顎、舌など）の動きを検出して言語を解読するなど。患者が表現したい文章を脳コンピューターインターフェースを通じて直接解読し、画面に表示します。脳コンピューターインターフェースにおけるこれらの新たな進歩は、脳科学の分野の多くの研究者や患者に刺激を与え、すべての人に希望をもたらしました。精神疾患の治療に加えて、脳コンピューターインターフェースは臨床リハビリテーション治療においても常に大きな注目を集めています。

脳コンピューターインターフェース＋リハビリテーション：患者が人生に自信を取り戻すのを助ける

脳コンピューターインターフェースと神経調節技術の統合は、脳震盪と脳機能および行動の間の重要な関係を発見するのに役立つだけでなく、患者の運動機能を大幅に改善することもできます。脳コンピューターインターフェース技術は、非常に効果的な臨床リハビリテーションツールです。

（スカダール教授は、脳コンピューターインターフェース技術の導入により運動障害が回復した患者の症例を示している）

ベルリン大学医療センターのスエカダール教授のチームが開発した非侵襲性脳コンピューターインターフェースと外骨格の組み合わせは、脳の運動指令を解読し、的を絞った刺激を与えることができ、重度の脊髄損傷による運動障害を持つ患者が、物をつかむ、食べる、水を飲むなどの日常的な活動など、ある程度のセルフケアスキルを取り戻すことができる。実際の応用では、運動障害のある患者の中には、この技術を通じていくつかのセルフケア活動を完了できる人もおり、患者の生活の質が大幅に向上しています。侵襲性脳コンピューターインターフェース技術は、感染や出血、永久使用許可の欠如、手術の必要性、高価格など、依然として多くの課題に直面していますが、脳コンピューターインターフェース+外骨格の臨床応用価値は非常に大きいです。リハビリテーション訓練における脳コンピューターインターフェースの可能性を検証する臨床試験が増えています。

（スカダール教授が次世代の脳コンピューターインターフェース技術のブレークスルーの見通しについて語る）

第二世代の脳コンピューターインターフェース技術が将来どのようなものになるかについて、スエカダール教授は、作業記憶、感情調節、運動感覚相互作用をシステムに統合することで、適応的な脳機能刺激を実現し、脳機能の安定化と改善を実現することが可能になると考えています。同チームの脳コンピューターインターフェース研究は、リハビリ訓練研究に加え、将来的にはメンタルヘルスの再構築や感情調節と運動リハビリの統合の実現にも向けて進んでいる。

シンガポールの南洋理工大学コンピュータサイエンス工学部のグアン・クンタイ教授は、機能回復に使用される脳コンピュータインターフェースの理論的根拠は神経可塑性であると考えています。いわゆる神経可塑性とは、損傷を受けた後にニューロン間の接続を継続的に再形成する脳の能力を指します。神経疾患の回復は、脳を意図的に刺激することによって機能の部分的な回復を達成することです。

（関村泰教授は、ディープラーニングなどのアルゴリズムに基づく新しい非侵襲性脳コンピューターインターフェース技術の研究成果を紹介しました）

グアン・クンタイ教授は、脳コンピューターインターフェース技術を使用して、脳卒中患者に目的のある運動リハビリテーショントレーニングを提供しています。グアン・クンタイ教授はまた、運動リハビリテーションに加えて、脳コンピューターインターフェースが脳卒中後の患者の精神的、心理的リハビリテーションにも役立つ可能性があると示唆した。関村泰教授チームの研究では、ディープラーニングなどのアルゴリズムに基づく新しい非侵襲性脳コンピューターインターフェース技術により、脳卒中患者の理解精度が従来の脳コンピューターインターフェース技術の68.6%から90%近くにまで向上できるという。

研究チームは、子供のADHD、高齢者の認知機能低下、社会不安、全般性不安に対する脳コンピューターインターフェースリハビリテーション技術の応用を研究した結果、被験者は指定されたタスクを完了しながらリアルタイムのフィードバックを受けることができ、複数の定量的フィードバックとトレーニングを通じて注意力の向上、認知力の強化、不安の軽減などの結果を達成できることを発見しました。これらの実験の結果は、脳科学分野の研究者に刺激を与え続け、患者の生活の質の向上という朗報ももたらしています。

このフォーラムでは、脳コンピューターインターフェースに関する最先端の技術研究とその最新の実装を見学しました。脳科学者は、最先端の研究室で開発された脳コンピューターインターフェース技術を理論から臨床実践へと応用し、生活の質が低い多くの患者に希望をもたらし、一般の人々が脳の未来を垣間見る窓を開きました。脳疾患の探究や脳科学の研究は、私たちを脳の奥深くにある「ブラックホール」の世界に近づけています。プロセスは困難で道のりは長いですが、脳科学研究は潜在的なエネルギーを蓄積し、一歩一歩未来に向かって進んでいます。