神経補綴：感覚運動から認知障害まで

Communications Biology volume 6、記事番号: 14 (2023) この記事を引用

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神経補綴学は、神経科学と生物医工学の間の境界にある学際的な分野であり、神経障害または損傷後に混乱した神経系の部分を交換または調節することを目的としています。 ニューロプロテーゼは感覚障害および運動障害の分野で過去 60 年間にわたって着実に進化してきましたが、高次認知機能への応用はまだ比較的初期段階にあります。 それにもかかわらず、最近の一連の概念実証研究は、電気神経調節戦略が、特に認知症の状況において、一部の認知障害や記憶障害の軽減にも役立つ可能性があることを示唆しています。 ここでは、感覚運動から認知障害までの神経人工装具の進化を概説し、神経系との多部位双方向相互作用を可能にする神経人工装具システムの必要性などの重要な共通原理に焦点を当てます。

神経振動は神経系全体に遍在し、脳と脊髄の感覚、運動、認知機能を維持しています1。 これらの振動は、神経変性疾患および神経精神疾患 2、脳卒中 3、外傷性脳損傷 4、または脊髄損傷 (SCI)5 の後などで中断されることがよくあります。 根底にあるメカニズムは異なるものの、異常な、あるいは消失した神経振動は神経疾患の特徴であり、行動症状の原因となっているようです6。 近年、神経系と連携し、これらの振動に影響を与えたり再確立したりする生体電子デバイスが薬物治療の代替手段となり、電気医薬品、ブレイン・コンピューターまたはブレイン・マシン・インターフェース（BCI/BMI）、および神経人工装具7、8、9、10。

これらのバイオ電子デバイスは、パーキンソン病 (PD) の一部の運動症状を治療したり 11、SCI 後の運動機能を回復したりできるようになりました 12、13、14。 しかし、認知障害は、認知の基礎となる神経機構の本質的な複雑さと、関連するネットワークを調節するための技術的課題により、依然としてこの新しい治療法を利用できません。 脳損傷に起因するものであっても、アルツハイマー病 (AD) などの神経変性疾患に起因するものであっても、認知障害には有効な薬理学的治療法がまだなく、主要な公衆衛生問題となっており、神経調節戦略から恩恵を受ける可能性があります 15。

ここでは、非ヒト霊長類 (NHP) とヒトでテストされた侵襲性ニューロテクノロジーに焦点を当てながら、感覚運動障害および認知障害に対する神経調節および神経補綴のアプローチに関する最新技術をレビューします。 まず、脳卒中や脊髄損傷による運動障害に対する運動神経プロテーゼの概念と、四肢切断や麻痺後に感覚フィードバックを提供する体性感覚神経プロテーゼの概念を紹介します。 次に、PD の運動症状および認知症状に対する脳深部刺激 (DBS) を紹介します。 次に、認知機能、特に学習と記憶を特徴付ける神経振動と、記憶障害におけるその変化について説明します。 これに続いて、AD およびその他の記憶障害に対する神経調節アプローチに関する最先端の技術が続きます。 最後に、大規模な脳ネットワーク振動をターゲットにし、関連する神経機能を促進する新世代の神経補綴システムの開発によって、認知障害が特に恩恵を受けるだろうという魅力的な仮説を提示します。

運動神経プロテーゼとは、脳卒中やSCIなどの神経運動障害の後に、運動の生成に関与する構造（筋肉、末梢神経、脊髄、または脳）を電気刺激することによって運動機能を回復することを目的とした特定のタイプの神経プロテーゼを指します16。 まさに最初の運動神経プロテーゼは、片麻痺後の下垂足を治療するために 1961 年に Liberson らによって発明された腓骨神経刺激装置でした 17。 神経プロテーゼという用語自体は、対麻痺後の膀胱排尿を可能にする脊髄内インプラントを指すために 1971 年に科学文献で初めて作られました 18。 それ以来、運動神経人工装具の定義は、BCI または BMI とも呼ばれる、脳信号から運動コマンドを抽出して外部デバイスを制御する技術にも拡張されました (例: 参考文献 19、20)。 このセクションでは、筋肉、末梢神経、脊髄の神経刺激から移植可能な BMI に至るまで、さまざまなタイプの運動神経プロテーゼについて簡単に説明します。