Emulating the influence of exoskeleton stiffness on primary afferent feedback in rat isolated muscle-tendon unit

あなたの体を、配線やコードの代わりに筋肉と神経で動くハイテクなロボットだと想像してみてください。筋肉の奥深くには、「筋紡錘（きんぼうすい）」と呼ばれる、非常に敏感で小さなセンサーがあります。これらはロボットの内蔵GPSとスピードメーターを組み合わせたもののようなものです。これらは常に脳に向かって、「ねえ、今伸びているよ！」とか「今、張りが強くなっているよ！」とささやき続けており、それによってあなたは目で見なくても自分の手足がどこにあるのかを正確に把握できるのです。これは「固有受容感覚」と呼ばれ、目をつぶっていても鼻に指を触れたり、デコボコした地面を歩いても転ばなかったりする理由です。

次に、あなたの脚に重くて弾力のあるスプリング、つまり動きを助けるために設計されたウェアラブルな外骨格（エクソスケルトン）を装着したと想像してください。こうしたハイテク・スーツは、人が歩いたり重いものを持ち上げたりするのを助ける素晴らしいものですが、科学者たちは大きな疑問を抱いています。「この余分な弾力性が、あなたの内蔵GPSを狂わせてしまうのではないか？」ということです。もし外骨格が仕事の一部を肩代わりしてしまうと、脳に届く正しい信号が止まってしまうのでしょうか？これは、「車のクルーズコントロールをオンにしたとき、ドライバーはまだ路面の感覚を感じ取れるのか？」と問うようなものです。ウェアラブルなデバイスが体の自然なセンサーを混乱させてしまうと、たとえどれほど力強く感じられたとしても、動きがぎこちなくなったり、安定性が損われたりする可能性があるため、この理解は極めて重要です。

この論文は、この謎を解明するために、巧妙で実践的なアプローチをとっています。ただし、人間を対象にするのは（人間の神経信号を直接聞くことは難しいため）困難であるため、研究者たちはラボの設定でラットの脚を使用しました。彼らは、人間の脚における受動的な弾性外骨格と同じように機能するよう、エンジニアリングされたスプリングをラットの筋腱ユニットに取り付け、ミニチュアの実験セットアップを構築しました。公平性を保つため、スプリングがどれだけ助けになるかを変えても、システム全体の剛性が一定に保たれるように、ラットの筋肉の活動量を調整しました。彼らはあらゆることを測定しました。筋線維がどれくらいの長さになったか、どれだけの力で押し返したか、そして神経信号（センサーからの「ささやき」）が正確にどれくらいの速さで発火しているかです。

結果は、少し驚くべきものでした。スプリングを追加し（0から0.5 N/mmの範囲）、筋肉自身の働きを減少させたところ、筋肉自体の形が変化しました。筋肉が押し出す力は約3.1 Nから1.6 Nへと低下し、剛性も4.4 N/mmから2.3 N/mmへと低下しました。また、筋線維もわずかに長く伸び、7.9 mmから8.3 mmになりました。あなたはこう思うかもしれません。「なるほど、筋肉の状態が変わったのだから、センサーも違うメッセージを叫んでいるはずだ！」と。しかし、ここにひねりがありました。神経信号の調子は変わらなかったのです。筋肉が仕事をしなくなり、スプリングがより多くの仕事をするようになったにもかかわらず、センサーの発火率は一定のままでした。

研究者たちは、センサーの信号は筋肉の線維の特定の動きや力と密接に結びついているものの、「筋肉とスプリングのトレードオフ」が互いに打ち消し合っていることを発見しました。それはまるで、筋肉がちょうどスプリングによる余分な伸びを相殺するようにリラックスし、脳への内部メッセージを完璧に一定に保っているかのようです。つまり、機械的なセットアップは変化したものの、筋肉からの主要なメッセージは影響を受けなかったのです。このことは、受動的な弾性外骨装が、私たちが恐れていたほど体の内蔵センサーを混乱させない可能性があることを示唆しています。なぜなら、筋肉とスプリングが互いにバランスを取っているからです。この詳細なラボ内でのセットアップを用いることで、科学者たちは、神経の声を直接聞くことができない人間のボランティアに頼って推測することなく、ウェアラブルデバイスが私たちの隠れた感覚システムにどのように影響を与えるのかを覗き見ることができるようになったのです。