究極のブレイン－マシン・インタフェースと脳の可塑的変化

Complete Brain-machine Interfaces and Plastic Changes in the Brain

はじめに

　ブレイン－マシン・インタフェース（brain-machine interface：BMI）とは，脳と機械を直接つなぎ相互作用させるシステムである。現在，大きく3種類に分けることができるが^1），そのうちの感覚入力型BMI（人工内耳や人工視覚など）と直接操作型BMI（脳深部刺激療法など）は既に医療現場で使われている。一方，運動出力型BMIは，最近登場した新しい研究対象であり，脳の神経活動でロボットや身辺の機器あるいは自身の筋肉を直接操作することを目指している。現在単にBMIと称するとき，そのような運動出力型BMIを指すと考えてよい。

　BMIの研究は，欧米では2000年前後から急速に進展し始め，ここ数年に限っても多くの書籍が出版されている^2－4）。しかし日本国内では，BMIというものが神経科学的にも工学的にも極めて難易度の高い研究課題であるという認識がほとんどなく，欧米ですぐにでも実現されるという誤解も多かったため，その実体を知らないまま「何年遅れているのか」あるいは「今から追いつくことは可能か」という不毛な議論がしばらく繰り返されていた。これは他の神経科学的な研究課題（それらのほとんどもまず欧米で始まった）では，あまりみられなかった奇妙な状況であった。しかし最近になってようやく具体的な研究が増え始め，文部科学省，厚生労働省，総務省などが研究課題として取り上げるようになった。

Abstract

　Brain-machine interfaces (BMIs) are artificial systems that control external devices or body muscles with signals generated by the neural activities of working brains.　The BMIs currently under development can be divided into 2 types,i.e.,conventional (noninvasive) BMIs and complete (invasive) BMIs.　Only the latter type of BMI can ultimately be used in the future.　This paper describes some recent studies on invasive BMI using monkeys as subjects and discusses the progress of and problems revealed in these studies.　The focus then shifts to plastic changes in neuronal activities caused by the BMIs.　When a BMI is in use,the brain inevitably changes its own functions and structures in order to operate external devices more efficiently.　Therefore,basic research on BMIs inevitably involves study on neural plasticity; such research is essential for further development of neurorehabilitation and for high performance of BMIs.　This paper describes 2 recent pioneering BMI studies-one involving the rat motor cortex and the other involving the monkey primary motor cortex.　Both studies revealed rapid and plastic changes in neuronal function during the period the animals were learning to operate external devices with the BMIs.　The fact that the neuronal changes were caused by the contingency of neuronal activity and rewards emphasizes the significance of the neural-operant paradigm for research on neuronal plasticity in BMIs.　The present paper describes a neural-operant experiment involving a recently developed high-performance BMI system and reports rapid and plastic changes in firing frequency and synchrony of the hippocampal neurons in both adult and aged rats.　Finally,the paper suggests that complete BMIs can be developed by neuroscience research and should be able to unmask the enigmas of the neural code,brain-body interaction,and ongoing activity in the working brain.