頭の外側から脳を操作する。DARPAが支援する「ブレイン・コンピュータ・インタフェース」の開発が進行中（米研究）

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　8月、カーネギー・メロン大学に在籍する3人の大学院生が小さな窓のない地下の研究室に集まり、間に合わせの3Dプリンターフレームを使ってマウスの脳に電撃を喰らわせていた。

　もちろん彼らはイタズラにそんなことをしていたわけではない。わざわざ頭蓋骨を切り開いて脳を露出させることなく脳の信号を検出し、操作できるかどうかの検証実験を行っていたのだ。

　目指すのは、ただ頭にかぶるだけで使えるヘッドバンドのような「ブレイン・コンピュータ・インタフェース（BCI）」である。

　厚さ1センチにも満たない人間の頭蓋骨は、電流、光、音といった波形を拡散するフィルターとして機能する。その下に収まっている脳には、1ミリの数千分の1という極小の神経細胞がつまっており、1ボルトの20分の1ほどの微弱な電気パルスを発生させている。

　3人の実験は、グループを率いるプルキット・グローバーさんが考案した新しい技法と比較するための、ベースラインとなるデータを集めるためのものだったのだ。

頭蓋骨の外から脳のシグナルを読み取るための実験

　グループが行っていた実験はこうだ。まず、マウスの海馬から脳の断片を切り離す。そして薄くスライスされたニンニクのようなそれを、奇妙な機械の中央辺りにあるプラットフォームに置く。

　スライスは食塩、ブドウ糖、アミノ酸入りの溶液でつけてある。生かしておくためだ。曲がりなりにも生きているスライスの神経細胞は発火し続け、研究者にデータを提供する。

　スライスの下にある電極から電撃が浴びせられると、シリンダーのような金属製の探針が、神経細胞の反応を測定する。

　さらにその後には、スライスと電極の間に人間の頭蓋骨と同じような電気的・光学的特性を持つ素材が挟み込まれ、同じような手順が行われた。

　グループはあの米国防高等研究計画局（DARPA）が出資する「次世代非外科的ニューロテクノロジー・プログラム（Next-generation Nonsurgical Neurotechnology Program / N3）」に参加している。

　手術は多額の費用がかかるものだし、倫理的にも単純ではない。外科的な手術を施さなくても心を読むことができるデバイスは、新しい可能性の扉を開くことだろう。

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1970年代初頭に誕生して広まった「BCI」という言葉

　BCIは、四肢麻痺の患者などの動かなくなった手足を補うために研究が続けられてきた。だがN3は、より交戦的な用途を念頭に置いた米軍による本格的なBCI開発プロジェクトである。

　「BCI」という言葉は、1970年代初頭にカリフォルニア大学ロサンゼルス校のジェイクス・J・ビダル氏が初めて使った。

　これは「人工知能」のように、機能が発展するにつれて定義が進化した用語のひとつだ。

　頭蓋骨に置かれた電極で脳の電気活動を記録する脳波記録法（EEG）は、脳とコンピューターをつなぐ最初のインターフェースとみなせるかもしれない。

　1990年代末までには、EEGで四肢麻痺患者の脳波を解読し、コンピュータのカーソルを動かせるようになった。

　だが今日まででもっとも強力なデバイスが「ユタ・アレイ（Utah array）」であることはほぼ間違いないだろう。

　ユタ・アレイは小指の爪の半分くらいの小さな剣山のような見た目で、脳に刺して使うのだとか。

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（左）事故で脊椎を損傷したイアン・バークハート氏　（右）小さな剣山のような見た目をしたユタ・アレイ

image credit：DAMIAN GORCZAN

神経バイパスで筋肉の動きを取り戻した男性のエピソード

　2010年、休暇中だったイアン・バークハート氏は海に飛び込んで頭を強打した。

　この事故で脊椎を損傷し、第6系神経から下の機能を失った。腕や肘を動かすことはできたが、手や足はダメだった。

　リハビリもほとんど効果が上がらず、彼はほかに何か方法はないかと医師に尋ねた。

　そして、バテル記念研究所でユタ・アレイを利用して麻痺患者の手足を蘇らせる研究が行われていることを知った。

　EEGは無数の神経細胞全体の活動を読み取るが、ユタ・アレイはたったひとつの神経細胞ですらパルスを記録できる。

　バークハート氏の場合、運動皮質の96ヶ所にユタ・アレイを移植して毎秒3万回というペースで電場を計測。

　こうしたデータから、彼が手を動かそうとするときの脳の活動を読み取るアルゴリズムが開発された。

　バークハート氏の頭蓋骨から突き出た台に接続された太いケーブルは、ユタ・アレイが計測したパルスをコンピューターに送信する。

　データを受信したコンピューターは、それを解読し、彼の右腕をおおう電極入りのスリーブに信号を送信。するとスリーブが腕の筋肉を刺激して、彼が意図した通りの動作を実行させる。

　こうしてバークハート氏は「神経バイパス」によって筋肉の動きを取り戻した最初期の人間となった。

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数百本の電極を使って脳のシグナルを操作し別の領域へ転換

　N3にも参加しているバテル記念研究所は現在、脳にユタ・アレイを移植することなく同じことを可能にする技術を研究している。

　それは新しいデバイスの開発のみならず、頭蓋骨の外側から微弱な信号を正確に検出・処理する技術を考案する必要があるということだ。

　カーネギー・メロン大学のグローバーさんらが行っていたのもそのための実験である。

　神経学者ではなく電気技師であるグローバーさんは大学に入ってすぐに、EEGの本来のポテンシャルはこれまで想定されていたよりも高く、また外部シグナルを巧妙に操作することで脳の奥深くに影響を与えられるのではと直感した。

　それから数年後、MIT（マサチューセッツ工科大学）の研究者によって、グローバーさんの直感をはるかに超える論文が発表された。

　その研究では、周波数が微妙に異なるふたつの電気シグナルを頭蓋骨の外側に当てると、脳の表面ではなく、もっと内側の神経細胞に影響を与えられることが示されていた。

　「建設的干渉（constructive interference）」と呼ばれる現象だ。

　グローバーさんはMITの研究をさらに発展させようとしている。数百本の電極を使って、脳内部の狭い領域を正確にターゲットし、そのシグナルを操作してある領域から別の領域に転換させるのだ。

　「ただの神経科学者には出てこない発想だ」とグローバーさんは話す。

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神経活動のサインを読み取るためのさまざまな研究が進行中

　一方、やはりN3に参加するジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所（APL）のグループは、まったく別のアプローチで難題に挑んでいる。

　現在の理解によれば、神経組織は神経細胞が電気シグナルを発火したときに膨張・収縮する。

　EEGやユタ・アレイが読み取っているのは電気シグナルだ。だがAPLのデイブ・ブロジェットは、組織の膨張・収縮も神経活動の優れたサインであると考えた。

　そこで、それを光学的システムによって読み取ろうというのが彼のアイデアだ。

　これまでの技術ではそうした神経の動きを検出することができなかったが、すでにブロジェットらはマウスの実験でそれを”見る”ことに成功している。

　露出させた神経組織なら発生から10ミリ秒以内に神経活動を記録できる。ユタ・アレイなどに匹敵する記録速度だ。

　次のステップは、それを頭蓋骨越しに行うことだ。頭蓋骨は可視光を遮断してしまう。そこで、頭蓋骨を通り抜けることができる近赤外線光を測定する。

　現在は、頭蓋骨越しに赤外線レーザーを照射し、それがどのように散乱するのか確かめている段階だ。

　バテル記念研究所のガウラブ・シャルマ氏は、血液脳関門を通り抜けることができる新しいナノ粒子を開発している。これはDARPAが最小限の侵襲技術と呼ぶものだ。

　粒子のシェルは圧力を加えると電気を発生する素材でできており、その中には磁力に反応するコアが収まっている。

　これを磁場に暴露させると、内部のコアがシェルに圧力を加えて微量の電流を生じさせる。

　この電流は頭蓋骨越しであっても光よりずっと”見やすい”。コイルを使って電流を磁場に転換し、脳のシグナルを読み取ってやればいいのだ。

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素晴らしい技術であるBCIが軍事利用されたらどうなるのか？

　こうした科学的な取り組みは素晴らしい。

　しかし、BCIの開発を進めるペンタゴンやフェイスブックなどの企業が、この技術が提起するいくつもの倫理的・法的・社会的疑問をおざなりにしていることを知ればその素晴らしさも霞んでしまう。

　たとえば人間の脳によって直接操作されるドローンの大群は戦争をどのように変えてしまうのか？

　N3の責任者は、その必要性がどのようなものであっても神経インターフェイスは利用されることになるだろうと述べている。しかし、軍の必要性はいかようにも解釈されるものだ。

　バークハート氏は今も研究に参加している。ユタ・アレイなしでも脳の信号を拾えるようにするための研究だ。

　脊椎を損傷してしまうと、腕を動かすと想像することはとても骨の折れる作業になる。

　バークハート氏は

以前なら、『手を開く』なんてわざわざ思わなくてもできた。ただボトルをつかむだけなのにだよ。でも私はそれができることを強く願っている

とコメントしている。

　少なくともバークハート氏は、この技術の可能性を誰の目にも見えるようにした一人といえるだろう。

References:Technology reviewなど / written by hiroching / edited by usagi

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