SFから現実へ: 夢が叶う世界はどれくらい遠いのでしょうか? （優れた）

制作：中国科学普及協会

著者:千宇(中国科学院脳科学・知能技術研究センター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

世界最古の文明のほとんどは、初期には心臓が人間の精神の担い手であり、感情と思考の中核は心臓にあり、脳は単なる冷却器官であると信じていました。

脳が思考を司る器官であるということが、生理学や解剖学などの医療技術の進歩によって20世紀頃になってようやく認識されるようになりました。その結果、人々の概念における「考える」の担い手は徐々に「心」から「脳」へと移っていきましたが、「物事を成し遂げる」ためには、考えるだけでは不十分であり、実践しなければなりません。

ある技術によって、「願いを叶える」ことが徐々に現実のものとなりつつあります。皆さんは、脳コンピュータインターフェース（Brain-Computer Interface、BCI、または Brain-Machine Interface、BMI とも呼ばれる）と呼ばれるこの技術について聞いたことがあるはずです。この技術では、「願いが叶う」を「脳の夢が叶う」と言い換えた方が適切かもしれません。

脳コンピュータインターフェースの概念図

（写真提供：veerフォトギャラリー）

脳コンピューターインターフェースが「思考を実現」させる

脳コンピューターインターフェースとは何ですか?簡単に言えば、その一端は脳に接続され、複雑で密度の高い神経電気信号から思考を抽出し、もう一端はコンピューターや機械などの外部デバイスに接続され、身体を直接バイパスして思考を制御信号に変換し、さらにコマンドを実行します。手足の末梢神経や筋肉系に頼ることなく、脳の中枢と外部デバイスとの間で直接的な情報交換を確立することができます。

たとえば、下の図では、コンピューターの画面に「hello」と入力するだけで、脳コンピューターインターフェースが関連する脳領域からの信号を直接読み取り、コンピューターの画面に「hello」と入力できます。このプロセスでは、「考える」だけでよく、キーボードで入力する必要はまったくありません。

マインドタイピング

(画像出典: SciTechDaily)

では、脳コンピューターインターフェース技術は現在どの程度まで発展したのでしょうか?その歴史を簡単に見てみましょう。

1875 年、イギリスの医師リチャード・ケイトンはウサギとサルの脳内の自己流れる電流を記録することに成功しました。 1924年、ドイツの精神科医ハンス・ベルガーは初めて人間の脳の電気信号を頭皮上に記録し、それを脳波（EEG）と名付けました。 1973年、カリフォルニア大学ロサンゼルス校のコンピューター科学者ジャック・J・ヴィダルが、脳コンピューターインターフェースの概念を正式に提唱しました。

この約 100 年間は、人間が脳から何らかの方法で使用可能な信号を取得し、それを意味のある出力に変換できるかどうかを探求する、脳コンピューター インターフェース技術の実現可能性に関する人類の探求の旅であったと言えます。

結論はもちろん「はい」です。

最初の脳コンピュータインターフェースアーキテクチャ図

（画像出典：参考文献[3]）

その後、1973年から2023年までの50年間で、脳コンピューターインターフェースは徐々にSFの概念から現実のものへと変化しました。

2000年、ブラジルの科学者ミゲル・ニコレリスと彼のチームは、侵襲的な脳コンピューターインターフェース技術を通じて、サルが思考のみを使って体外にあるロボットアームを簡単に制御できるようにすることに成功しました。 21 世紀以降、脳コンピューターインターフェース技術は急速に発展してきました。

人間を対象とした脳コンピューターインターフェース実験開始

霊長類の実験が成功したら、次のステップはそれを人間で試すことです。

2004 年、米国の研究チームが運動皮質脳コンピューターインターフェースの臨床試験を実施し、侵襲性脳コンピューターインターフェースを使用して麻痺患者の治療に成功しました。これにより、四肢麻痺の患者が心を使ってテレビのリモコン、コンピューターのカーソルの移動、動く物体をつかむロボットアームの基本的なスキルを制御できるようになりました。

これは、人間に対する脳コンピューターインターフェースの臨床試験の成功を示しています。

2014年、下肢麻痺を患うブラジルの患者が、機械式外骨格を脳で制御し、ワールドカップの開会式を完走することに成功した。脳コンピューターインターフェースとそれに合わせたバイオニック外骨格が再び世間の注目を集めた。

麻痺した男性がワールドカップ開幕に成功

(画像出典: newscientist)

2016年、10年間麻痺して寝たきりだった患者が、脳コンピューターインターフェース技術を使い、圧力から変換された電気信号の助けを借りて脳の特定の領域を刺激し、触覚機能を実現することに成功しました。

これは、現段階の脳コンピューターインターフェースは思考を出力するだけでなく、脊髄を介して感覚信号を脳に再入力し、脳と外部環境の双方向の相互作用を実現できることを示しています。

技術爆発期：脳コンピューターインターフェースの成果が現れている

2016年以降、脳コンピューターインターフェースの分野全体が技術爆発の時代に入りました。脳コンピューターインターフェースに必要な電極の材料や形態に関する基礎研究が大きく進歩しただけでなく、人工知能の急速な発展により、脳から収集された信号を前処理してより効果的に適用することも可能になりました。

「マインドコントロール」義肢の精度がさらに向上しました。例えば、2019年にジョンズ・ホプキンス大学の参加者は、脳の両側に埋め込まれた2つの微小電極を継続的に調整することで、2つの義肢を同時に制御することができました。 2020年、浙江大学の研究チームは、四肢麻痺の人が外部のロボットアームと手を正確に制御し、食事や握手などの基本的な動作を正確に完了できるようにしました。

もちろん、動作支援療法の進歩に加えて、言語回復の分野における脳コンピューターインターフェース技術も輝いています。

2023年6月、我が国の復旦大学付属華山病院が主導して、中国人に適したニューラルネットワークモデルをリリースしました。頭蓋内記録から中国語の語彙の音調と基本音節を解読し、それらを組み合わせて音声を生成することができます。脳コンピューターインターフェース技術を通じて、声調言語発音障害や失語症の患者が「内なる声」を直接表現できるよう支援します。

復旦大学付属華山病院の研究チームが開発した脳コンピューターインターフェースが、サイエンス・アドバンス誌に掲載された。

（画像出典：サイエンス・アドバンス誌）

同年8月、カリフォルニア大学サンフランシスコ校の研究チームは、侵襲性脳コンピューターインターフェースを使用して、重度の筋萎縮性側索硬化症によりろれつが回らない2人の患者が、より正確かつより穏やかな発話速度で他者とコミュニケーションをとることができるように支援した。

全身麻痺や言語障害は単なる身体的な病気ですが、現在の脳コンピューターインターフェース技術は精神疾患の治療においても強力な機能を発揮しています。

2021年、カリフォルニア大学の研究者らは、重度のうつ病患者の脳に神経ペースメーカーを埋め込むことで症状を緩和した。

2020年末、わが国の病院は「難治性うつ病に対する脳コンピューターインターフェース治療」の臨床研究チームを設立し、うつ病患者の脳に脳コンピューターインターフェース機能を備えた脳ペースメーカーを埋め込みました。これまでに23人のうつ病患者が治療を完了し、うつ病の症状は平均60％改善しました。

結論

脳コンピューターインターフェース技術は、SFの世界から現実の世界へ、研究室での初期動物実験から商業的な人体医療実験へと移行しつつあります。この「脳」の技術がどんな未来をもたらすのかを考えるのはワクワクします。

もちろん、現在、脳コンピューターインターフェース技術の発展を制限している要因は、主に脳の働きのメカニズムに対する理解が不十分なことにあります。脳科学は自然科学の中で最も複雑で未解決の謎の一つです。

脳コンピューターインターフェースの研究はまだ進行中です。脳コンピューターインターフェースはどのようにして「テレパシー」を通じて物体の制御を実現するのでしょうか?この技術の現在の研究の焦点は何ですか?今後の開発の方向性は？次の記事でそれを皆さんにシェアします。

参考文献:

[1]ケイトン、リチャード。 「脳の電流」英国医学雑誌、2（1875）

[2]エヴァーツEV.錐体路の活動と随意運動中にかかる力の関係。神経生理学ジャーナル。 1968年1月;31(1):14-27.

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[4]ニコレリスMA、チャピンJK。心でロボットを制御する。サイエンス・アム。 2002年10月;287(4):46-53.

[5] ホッホバーグ LR、セルーヤ MD、フリーズ GM、ムカンド JA、サレー M、キャプラン AH、ブラナー A、チェン D、ペン RD、ドナヒュー JP。四肢麻痺の人間による人工装置のニューロン集団制御。自然。 2006年7月13日;442(7099):164-71.

[6]Liu Y、Zhao Z、Xu M、Yu H、Zhu Y、Zhang J、Bu L、Zhang X、Lu J、Li Y、Ming D、Wu J。脳活動から声調言語音声を解読および合成。科学上級2023年6月9日;9(23):eadh0478.

[7] Scangos, KW, Khambhati, AN, Daly, PM, Makhoul, GS, Sugrue, LP, Zamanian, H., Liu, TX, Rao, VR, Sellers, KK, Dawes, HE, Starr, PA, Krystal, AD, Chang, EF, 2021.治療抵抗性うつ病患者に対する閉ループ神経調節。ナショナルメッド27(10), 1696-1700