Adaptive deep brain stimulation for gait using a device embedded inertial sensor

あなたの脳を、何百万もの小さな伝令たちが駆け巡り、体を動かし続けるための信号を送っている、活気あふれる都市だと想像してみてください。時として、パーキンソン病と呼ばれる状態では、この都市の特定の場所にある信号機が止まってしまい、伝令たちが混乱した信号を送ってしまうことがあります。これはしばしば、コントロールが難しい震え（振戦）や、ぎこちない歩行を引き起こします。医師たちは、これを修正するための強力なツールを持っています。それが「脳深部刺激療法（DBS）」です。DBSを、脳のための小さな埋め込み型ペースメーカーだと考えてください。これは、信号機をリセットして、人々がよりスムーズに動けるように、穏やかな電気パルスを送ります。

長い間、これらのペースメーカーは標準的なラジオ局のように機能していました。つまり、患者が何をしていようとも、常に同じ信号を放送し続けていたのです。しかし、科学者たちは、脳のニーズは座って静止しているとき、震えで体が揺れているとき、あるいは大きな一歩を踏み出しているときなど、状況に応じて変化することに気づきました。そこで大きな疑問が生まれました。「ペースメーカーを、脳の声を聞いて自動的にチューニングを変えられるほど『スマート』にできるだろうか？」と。一部の研究者は、これを行うために脳の電気的なおしゃべりを直接聞こうとしましたが、それはハリケーンの中でささやき声を聞き取ろうとするようなものでした。ペースメーカー自身が出す電気信号が、そのささやき声をかき消してしまうのです。この論文では、もっとシンプルで異なるアイデアを探求しています。ペースメーカーが脳の電気的なノイズを聞く代わりに、体の動きを聞くことができたらどうだろうか？というアイデアです。

「スマート」なペースメーカーの物語

この研究において、研究チームはパーキンソン病の患者がより良く歩くのを助ける新しい方法をテストしました。彼らは、すでに一人の勇敢な被験者に埋め込まれていた「Picostim DyNeuMo-2c」という特殊なハイテク・ペースメーカーを使用しました。このデバイスには、内部に隠された秘密兵器があります。それは、極小の加速度計です。皆さんもスマートフォンの中で、画面を傾けたり振ったりしたときに、デバイスがそれを検知する加速度計を知っているでしょう。通常、これらのセンサーは歩数を数えたり画面を回転させたりするためにありますが、このチームは、これらをペースメーカーの「耳」として使うことに決めました。

研究者たちは、頭部の振動を感じ取るだけで、ペースメーカーが「静止」、「震えによる揺れ」、「歩行」の違いを判別できるかどうかを調べたいと考えました。彼らは、患者の頭部とデバイスの完璧な仮想コピーである「デジタルツイン」を用いて、さまざまな状況下で頭部がどのように動くかを正確にマッピングするという、巧妙な実験を設定しました。その結果、非常に興味深いパターンを発見しました。人が歩いているとき、頭部は垂直軸に対してドラムのビートのように、リズムよく上下に跳ねるのです。しかし、震えがあるときには、震えはゼリーが揺れるように、主に左右に起こります。これは、デバイスが単にどれだけ激しく揺れているかではなく、「どの方向に」頭が動いているかを見ることで、両者を容易に区別できることを意味していました。

「モーション・アダプティブ（動き適応型）」のマジック

この発見を利用して、チームはペースメーカーをスマートな交通管制官のように機能させるようプログラムしました。デバイスが歩行に伴うリズムの良い「上下」の跳ねつきを感じ取ると、即座に、人が自信を持って歩幅を広げられるように設計された特別な「歩行モード」のプログラムへと切り替わります。もし人がしばらくの間動かなかった場合（頻繁に切り替わりすぎるのを防ぐため、30秒間のタイマーを設定しました）、デバイスは震えを制御するために、穏やかに「安静モード」へと戻ります。

最も素晴らしい点は、システム全体がペースメーカーの中に収まっていることです。余分なワイヤーも、外部のコンピュータも、背負うようなセンサーのバックパックも必要ありません。デバイスは、自身の小さなバッテリーによって駆動され、自ら考え、自ら切り替えを行います。

彼らは何を見出したのか？

研究チームは、この新しい「モーション・アダプティブ」システムを、従来の「常時オン」の方法と比較してテストしました。被験者は、足の動きを正確に測定するための特殊なセンサーを装着して、前後に歩行しました。結果は有望なものでしたが、チームはこれらが物語の始まりに過ぎないことに注意を促しています。

ペースメーカーが自動的に「歩行モード」に切り替わると、被験者はより速く歩き、歩数を増やしました。具体的には、右側の歩行速度は毎秒0.660メートルから0サー秒0.735メートルに増加しました。また、1分間あたりの歩数（ケイデンス）も大幅に上昇し、両側ともに約71歩から、ほぼ79歩へと跳ね上がりました。おそらく最も重要なのは、歩行がよりバランスの取れたものになったことです。左右の足の歩幅の差が小さくなり、歩行がより自然で、偏りが少なくなりました。

しかし、論文は非常に正直に、これが何を意味するかを述べています。これはわずか一人の被験者でテストされたものであるため、チームはこれらの知見を「探索的」であると呼んでいます。彼らはパーキンソン病の歩行問題を永遠に解決したと主張しているわけではありません。そうではなく、「アイデアが機能すること」を示しているのです。つまり、複雑な脳の記録を必要とせず、医療機器に組み込まれたシンプルなモーションセンサーが、歩行を検出し、治療を自動的に切り替えることができるということを示しています。

なぜこれが重要なのか

この研究は、オートバイを作る前に、補助輪なしで自転車に乗れることを証明するようなものです。問題を解決するために、必ずしも最も複雑で高価なテクノロジーが必要なわけではないことを示しています。多くのデバイスにすでに組み込まれているシンプルなモーションセンサーを使うことで、医師は近い将来、患者に日常生活に適応する「スマート」なペースメーカーを提供できるようになり、患者がより自信を持ち、より少ない労力で歩くのを助けることができるかもしれません。確信を得るためにはるかに多くの患者を対象としたさらなるテストが必要ですが、この第一歩は、脳への刺激の未来が、歩行のリズムを聞くことと同じくらいシンプルなものになる可能性を示唆しています。