脊髄が損傷した患者は世界と断絶される。脳と身体の通信網が途絶え、手足が麻痺し内部臓器も機能を失う。膀胱を収縮できず排尿できず、消化器官も食べ物を送り出せない。科学者が麻痺患者を再び世界とつなぐ新たな方法を見いだした。
ヒュー・ハー（Hugh Herr）米国マサチューセッツ工科大学（MIT）メディアラボ教授の研究チームは「生体筋肉をコンピューターで制御する生体モーターである筋神経アクチュエーター（myoneural actuator, MNA）を作り、麻痺患者の臓器運動を回復できることを動物実験で立証した」と31日（現地時間）に国際学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に発表した。
従来のように脳信号を体内に移植した機械装置に送るのではなく、実際の筋肉と神経で構成された生体モーターをコンピューターで作動させる方法である。これにより脳との接続が断たれた身体が機械の助けなしに自然に機能を回復し、空腹や触覚といった感覚も取り戻せる。研究チームは、麻痺した臓器の機能をよみがえらせる生きた移植装置を初めて開発した成果だと明らかにした。
◇生体筋肉と神経細胞で生体エンジンを開発
ヒュー・ハー教授は医工学分野で立志伝的な人物である。17歳だった1982年にロッククライミング中の事故で両脚を失い、生涯義足を使うことになった。より優れたロボット脚を開発するためにMITで機械工学修士号、ハーバード大学で生体物理学博士号を取得した。ハー教授はこれまで、患者の思いどおりに動き触覚まで感じられるロボットの手足を開発した。ロボット脚を装着して再びロッククライミングを行った。
ハー教授はポスドク研究員のギジェルモ・エレラ＝アルコス（Guillermo Herrera-Arcos）博士、ソン・ヒョングン博士とともに、麻痺患者の臓器機能をよみがえらせる新たな課題に挑戦した。機械装置を臓器に移植して人為的に収縮させることはできるが、体内に収められるほど小型で安全に作るのは容易ではない。ハー教授の研究チームは機械の代わりに生体モーターを代案として提示した。
ソン・ヒョングン博士は「既存の筋肉を改造して臓器の動きを回復させるモーターを作った」と述べた。コンピューター信号を伝達する神経は、すでに脳との接続が断たれた運動神経の代わりに、元の臓器にある感覚神経で代替した。時間の経過とともに感覚神経の末端が生体モーターの筋繊維と結合した。
生体モーターの作動過程は次のとおりだ。コンピューターが消化や排泄のために臓器を収縮させる信号を計算する。これを生体モーターに送ると、感覚神経の末端から信号物質のアセチルコリンが放出され、隣接する筋肉が収縮する。すると臓器の筋肉もともに収縮して排尿し、食べ物を前方へ送り出す。研究チームはマウスの小腸の一部に生体モーターを取り付け、コンピューターの命令に応じて臓器がともに収縮と弛緩を繰り返すことを確認した。
問題は神経信号の混線を防ぐことだ。エレラ＝アルコス博士は「アクチュエーターが臓器を自動で制御するには脳の制御を受けてはならない」と述べた。脳と臓器の通信網が完全に復旧していない状態で生体モーターに運動神経を接続すると、脳が直接制御してコンピューターの命令と衝突する可能性があるためだ。
研究チームは脳から来る信号を遮断し、生体モーターがひたすら感覚神経を通じてコンピューターからの命令だけを受けるようにした。感覚神経は本来、身体各所から来る信号を受信して脳へ伝達する役割を担うため、生体モーターにより適していると研究チームは説明した。臓器はもっぱらコンピューターと生体モーターによって作動するというわけだ。同時に、コンピューターが生体モーターに送った信号が感覚神経を通じて脳へ届かないようにした。そうしないとコンピューター信号が患者に痛みや異常感覚を与え得るためだ。
◇空腹を感じ、仮想世界も現実のように知覚
生体モーターに用いた感覚神経は筋肉の疲労低減にも役立った。運動神経で筋肉に信号を伝えるケーブル状の軸索は大きさがさまざまである。そのため最も太い軸索が先に信号を送り、筋肉を早く疲弊させる。一方で感覚神経は軸索の太さがほぼ同じで、信号が筋繊維全体に均等に伝達される。その分、疲労を防止する。実験では耐疲労性が260%向上したと研究チームは明らかにした。
生体モーターは臓器機能を回復するだけにとどまらない。感覚神経はコンピューターの命令を伝達するだけでなく、臓器が収縮する感覚を再び脳へ伝えることができる。これにより、食べ物が腸で移動したり空になったりする感覚を感じられる。満腹感や空腹、さらには膀胱が満ちる、あるいは空になる感覚まで再び知覚できる。
同じ原理でバーチャルリアリティ（VR）で物体の触感を実際に感じることができる。これまではVRゴーグルを着けたユーザーが目の前の物体に触れると、手袋に付いたセンサーがこれを感知し、それに応じた振動を発生させて触感を再現した。だが所詮は機械装置であり、実際の手足のように触覚を感じるのは難しかった。生体モーターを用いれば事情が変わる。
研究チームはマウスのふくらはぎの筋肉に筋神経アクチュエーターを取り付け、臓器と同じ方法で収縮させた。手足を切断した患者の残存筋肉も同じ方式で制御できるという意味である。もし仮想現実でアバターが岩を持ち上げると、コンピューターがその動作に合わせて残った手足にある生体モーターの筋肉を収縮させる。こうすれば仮想世界の触感を実際に感じることができる。脳が生体モーターの感覚神経を通じて自分の筋肉が実際に力を発揮しているという信号を受信するためだ。触感を模倣する機械的な振動ではなく、生体組織が送る本来の固有感覚を感じることになる。
◇ロボットの手足の触覚も回復可能
研究が進展すれば、ロボットの手足を自分の身体の一部のようにリアルタイムで感じ、制御できる。先に2024年、ハー教授とソン博士の研究チームは、脚を切断した患者がロボット脚を100%脳で制御できるようにした研究結果を発表した。脳が送る信号をロボット脚に接続したおかげだ。MITの研究チームは、残存脚の筋肉の運動神経をロボット脚に接続し、脳信号がロボットの動作へとつながるようにした。その分、自然な動作が可能だった。
今後、残存脚の筋肉に感覚神経を備えた生体モーターまで装着すれば、ロボットの手足に触れる触感を実際に感じられると期待される。現在もロボットの手足の先端にセンサーを取り付け、物体が触れた感覚を脳へ伝えることはできるが、生体モーターを使えばより自然な感覚を実装できるとみられる。
今回の論文の共同第1著者であるソン博士はキョンギ科学高、名古屋大学電気電子工学科を卒業し、東京大学で修士号を取得した。博士号はMITで生体医用工学専攻として取得した。現在はロボット関連のスタートアップを準備している。ソン博士は研究成果が商用化されるには課題が多く残っていると述べた。
ソン博士は「今回の研究の核心は、感覚神経で麻痺した筋肉を再び支配し、生体筋肉を外部コンピューターで制御できるアクチュエーターへ転換した点だ」とし、「現在の研究は動物実験で可能性を検証した段階であり、人体に適用するには長期的にシステムを最適化し、安全性と効率性を評価しなければならない」と述べた。
参考資料
Nature Communications(2026), DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-70626-6
Nature Medicine(2024), DOI: https://doi.org/10.1038/s41591-024-02994-9