光遺伝学を用いることで、電気刺激よりも筋肉の収縮をより制御しやすく、疲労も少ないことが示唆されています。この新しいアプローチは、麻痺や切断を経験した人々の筋肉制御に革命をもたらす可能性があります。
麻痺や切断を経験した人々にとって、電気刺激による筋肉の人工的な収縮を行う神経補助装置は、四肢の機能を取り戻す助けとなります。しかし、このタイプの装置は急速な筋肉疲労と制御の難しさから広く使われていません。MITの研究者たちは、電気の代わりに光を用いることで、筋肉の制御がより精密になり、疲労が劇的に減少することを示しました。
「光を使用することで、より自然に筋肉を制御できることが分かりました。臨床応用の観点から、このタイプのインターフェースは非常に広範な利用価値があります」と、MITメディアラボ教授であり、MITマクガヴァン脳研究所の准会員でもあるヒュー・ハー教授（Hugh Herr）は述べています。
光遺伝学（optogenetics）は、細胞に光感受性タンパク質を発現させ、その細胞を光に曝露することで活性を制御する手法です。現在、このアプローチは人間には適用できませんが、ハー教授とMIT大学院生のギレルモ・エレーラ-アーコス（Guillermo Herrera-Arcos）氏、そしてK. リサ・ヤン・センター・フォー・バイオニクスの同僚たちは、光感受性タンパク質を人間の組織に安全かつ効果的に導入する方法を模索しています。
この研究のシニア著者はハー教授で、エレーラ-アーコス氏が筆頭著者です。2024年5月22日にScience Robotics誌に掲載されたオープンアクセス論文のタイトルは「Closed-Loop Optogenetic Neuromodulation Enables High-Fidelity Fatigue-Resistant Muscle Control」です。
光遺伝学による筋肉制御
数十年来、研究者たちは機能的電気刺激（FES）を用いて身体の筋肉を制御する方法を模索してきました。この方法は、筋肉に収縮を引き起こす神経線維を刺激する電極を埋め込むものです。しかし、この刺激は筋肉全体を一度に活性化させる傾向があり、人間の身体が自然に筋肉収縮を制御する方法とは異なります。
「人間は信号強度が増加するにつれて、小さな運動単位、中程度の運動単位、大きな運動単位の順に筋肉を自然に動員することで、驚異的な制御精度を実現しています」とハー教授は述べています。「FESでは、筋肉を電気で人工的に刺激すると、最も大きな単位が最初に動員されます。したがって、信号が増加しても最初は力が発生せず、突然過剰な力が発生します。」
この大きな力は、微細な筋肉制御を困難にするだけでなく、筋肉を急速に疲労させ、5〜10分で消耗させてしまいます。
MITのチームは、このインターフェース全体を別のもので置き換えられるかどうかを検討しました。電極の代わりに、光遺伝学を用いて光分子マシンで筋肉収縮を制御することにしました。
マウスを動物モデルとして使用し、従来のFESアプローチで生成できる筋力と、光遺伝学的方法で生成できる筋力を比較しました。光遺伝学の研究では、光感受性タンパク質チャネルロドプシン-2（channelrhodopsin-2）を発現するように遺伝子改変されたマウスを使用しました。下腿の筋肉を制御する脛骨神経近くに小さな光源を埋め込みました。
研究者たちは、光刺激の量を徐々に増加させると、FES刺激とは異なり、光遺伝学制御は筋肉の収縮が徐々に増加することを発見しました。
「神経に対して提供する光刺激を変えることで、筋肉の力をほぼ直線的に制御できるのです。これは脳からの信号が筋肉を制御する方法と類似しており、電気刺激と比べて筋肉を制御するのが容易になります」とエレーラ-アーコス氏は述べています。
疲労抵抗性
これらの実験データを使用して、研究者たちは光遺伝学的筋肉制御の数学モデルを作成しました。このモデルは、システムに投入される光の量と筋肉の出力（生成される力）の関係を示しています。
この数学モデルに基づいて、研究者たちは閉ループ制御装置を設計しました。このタイプのシステムでは、制御装置が刺激信号を提供し、筋肉が収縮した後、センサーが筋肉が発揮している力を検出します。この情報が制御装置に送られ、目的の力を達成するために光刺激をどの程度調整する必要があるかを計算します。
このタイプの制御を使用すると、筋肉はFES刺激を使用した場合に比べて1時間以上疲労せずに刺激されることが分かりました。FES刺激を使用した場合、筋肉はわずか15分で疲労しました。
研究者たちが現在取り組んでいる課題の一つは、光感受性タンパク質を人間の組織に安全に導入する方法です。数年前、ハー教授の研究室は、ラットにおいてこれらのタンパク質が免疫反応を引き起こし、タンパク質を無効化し、筋肉の萎縮や細胞死を引き起こす可能性があることを報告しました。
「K. リサ・ヤン・センター・フォー・バイオニクスの主要な目標の一つは、この問題を解決することです」とハー教授は述べています。「新しい光感受性タンパク質や、それらを免疫反応を引き起こさずに導入する戦略を設計するための多面的な努力が進行中です。」
人間の患者に到達するための追加のステップとして、ハー教授の研究室は筋力や筋長を測定するための新しいセンサーや、光源を埋め込む新しい方法にも取り組んでいます。研究者たちが成功すれば、この戦略は脳卒中、四肢切断、脊髄損傷を経験した人々や、四肢の制御能力が低下した他の人々に利益をもたらすことが期待されます。
「これは、四肢の病理を患う人々の臨床ケアにおいてゲームチェンジャーとなる、低侵襲の戦略をもたらす可能性があります」とハー教授は述べています。
この研究は、MITのK. リサ・ヤン・センター・フォー・バイオニクスの資金提供を受けました。
光学式神経刺激装置から照射される光を見つめるギジェルモ・ヘララ・アルコス（Guillermo Herrara-Arcos）。(Credit: Steph Stevens)
