切断患者は画期的なテクノロジーを通じて失われた感覚を再発見する

温度フィードバックにおける驚くべき発見により、革新的なバイオニック技術が誕生しました。 この革新的な技術により、切断者は、熱いものから冷たいものまで、物体の温度を幻の手で直接感じることができるようになります。 この開発により、非侵襲的な補綴物のための新しい経路が生み出されます。

「切り株を手で触ると、欠けた手、幻の手がチクチクするのを感じます。 しかし、気温の変化を感じることは別のことであり、何か重要なこと…美しいことなのです」とフランチェスカ・ロッシは言います。

イタリアのボローニャに拠点を置く切断患者であるロッシさんは、最近、残っている四肢の皮膚に対する直接的な温度フィードバックの影響を調査する研究に参加しました。 彼女は、EPFL が開発した先駆的な技術のせいで、手のないファントムで温度の変化を感じた 17 人の患者の 1 人です。 何よりも、失われた自分の手が再びつながっていると感じていると彼女は言います。

「温度フィードバックは、手足、幻肢を完全に感じるので、素晴らしい感覚です。 手足が戻っているので、もう幻覚は感じません」とロッシは続けた。

研究者のシルベストロ・ミセラ氏とソライマン・ショクール氏は、切断患者により現実的な感触を提供するために、義肢に新しい感覚フィードバックを組み込むことに熱心であり、彼らの最新の研究は温度に焦点を当てている。 彼らは、温度フィードバックに関する予想をはるかに超える発見に遭遇しました。

無傷の人の前腕に熱いものまたは冷たいものを置くと、その人はその物体の温度を局所的に、前腕に直接感じます。 しかし、切断者では、残った腕の温度感覚が、幻の失われた手で感じられる可能性があります。

残存腕の皮膚に設置された熱電極（別名サーモデス）を介して、非侵襲的に温度フィードバックを提供することにより、ロッシのような切断患者は、幻肢に温度を感じたと報告します。 彼らは物体が熱いか冷たいかを感じ、銅、プラスチック、またはガラスに触れているかどうかを知ることができます。 EPFL、サンタンナ高等研究大学院（SSSA）、Centro Protesi Inail の共同研究により、この技術は患者 27 人中 17 人でのテストに成功しました。 結果はScience誌に掲載される。

「特に重要なのは、ファントム熱感覚が、正常な手で経験する熱感覚と同様のものとして患者に知覚されるということです」と、この研究を共同主導した EPFL 上級科学者神経工学者の Shokur 氏は説明します。

リアルなバイオニックタッチを目指して

幻肢への温度感覚の投影は、義肢に非侵襲的な温度フィードバックを備え、切断者が自分が触れているものを識別できるようにする新しいバイオニック技術の開発につながりました。

「温度フィードバックは、接触を超えた情報を伝えるために不可欠であり、愛情の感情につながります。 私たちは社交的な存在であり、温かさはその重要な部分です」と、ベルタレッリ財団トランスレーショナルニューロエンジニアリング会長であり、EPFLとSSSAの教授であり、この研究の共同主導者でもあるミセラ氏は述べています。 「私の研究室での長年の研究で、タッチと位置の情報がうまく伝達できることが示された後、初めて、自然な手が提供できる豊かな感覚をすべて復元できる可能性を想定しています。」

研究者、切断者へのインタビュー。 クレジット: パート I: 最初の 2 分 57 分、CC-BY-SA、EPFL。 パート II: 2:57 – 4:00、Centro Protesi Inail

健康状態から補綴物まで、温度フィードバック

数年前、Micera と Shokur は、健康な被験者の皮膚を通じて温度フィードバックを提供できるシステムを知りました。このシステムも EPFL で開発され、Metaphysiks によってスピンオフされました。

Metaphysiks は、身体とデジタル世界を接続する神経触覚技術 MetaTouch を開発してきました。 MetaTouch は、接触と温度のフィードバックを組み合わせて、健康のための物理的な製品を強化します。

「この画期的な進歩は、病状を改善し、障害を持つ人々の生活の質を向上させるハプティクスの力を浮き彫りにしました」と、Metaphysiks の共同創設者兼技術責任者の Simon Gallo 氏は述べています。

EPFL の神経工学者は、ユーザーの皮膚に直接熱フィードバックを提供する MetaTouch を借用しました。 この装置を使用して、彼らは熱ファントムの感覚を発見し、その後 27 人の切断者でそれをテストしました。

Minitouch のプロトタイプとテスト

この研究のために、Shokur と Micera は、熱フィードバックを提供し、義肢などのウェアラブル デバイスに統合するために特別に構築されたデバイスである MiniTouch を開発しました。 MiniTouch は、切断患者の義指に装着できる薄いウェアラブル センサーで構成されています。 指センサーは、触れた物体の熱情報、具体的には物体の熱伝導率を検出します。 物体が金属の場合、当然、プラスチックなどよりも多くの熱または冷気を伝導します。 切断患者の残存腕の皮膚に接触するサーモモードは、加熱または冷却し、指センサーが触れた物体の温度プロファイルを中継します。

「幻肢の温度感覚を取り戻す可能性や、さまざまな素材との接触を感じる可能性を提示したところ、多くの肯定的なフィードバックが得られました。 そして最終的には、2 年も経たないうちに 25 人以上のボランティアを採用することができました」と、セントロ・プロテシ・イネイルで臨床試験の臨床面の組織化を担当したフェデリコ・モロサト氏は語ります。

研究者らは、残った腕の皮膚の小さな領域が、親指や人差し指の先端など、幻の手の特定の部分に突き出ていることを発見した。 予想通り、彼らは、残存腕と投影されたファントム腕全体の間の温度感覚のマッピングが各患者に固有のものであることを発見しました。

人体を修復するためのバイオニック義肢

ほぼ 10 年前、Micera と同僚は、掴まれた物体に関するリアルタイムの感覚フィードバックを提供しました。 彼らはさらに、オブジェクトのテクスチャと位置情報に関するフィードバックを信頼性の高い方法で提供することで、タッチ解像度を向上させました。 さらに、切断者は、感覚フィードバックが無傷の神経系に直接与えられると、義手を体現し始めることを発見した。 温度フィードバックの追加感覚は、人体を修復するためのバイオニック人工装具の構築に向けたさらなる一歩です。 温度感覚を微調整し、各患者に合わせてマッピングできるウェアラブル デバイスに温度感覚を統合することが、次のステップの一部です。

参考文献：「上肢切断者における自然な温熱感覚の回復」フランチェスコ・イベリテ、ジョナサン・ムハイム、アウトマン・アクイッシ、シモン・ガロ、ジュリオ・ロニーニ、フェデリコ・モロサト、アンドレ・クレール、マグヌス・カルフ、エマヌエーレ・グルッピオーニ、シルベストロ・ミセラ、ソライマン・ショクル著、5月18日2023年、 化学。
DOI: 10.1126/science.adf6121