仮想現実を媒介した脳–コンピュータ間インターフェース訓練は、健常者と脊髄損傷後の被験者における感覚運動ニューロモジュレーションを改善する

少なくとも心の中では、再び歩くこと

脊髄損傷の後に麻痺とともに生活する人にとって、再び歩いたり自転車に乗ったりするという考えは手の届かないものに感じられることがあります。本研究は別の種類の回復、すなわち仮想現実と脳–コンピュータインターフェースを用いて脳自体を再訓練する可能性を探ります。ボランティアと脊髄損傷のある人々に、豊かな仮想の森を進みながら脚を動かすことを想像してもらうことで、身体が動かなくても脳がより明確な運動信号を送るように学習できることを示しています。

脳と仮想世界をつなぐデジタルな架け橋

研究チームは、脳活動を仮想世界に結び付けるシステムを構築しました。参加者は乾式EEGセンサーを備えたキャップをかぶり、頭皮表面からの微弱な電気信号を検出するとともに、森の小道を映すVRヘッドセットを装着しました。健常のボランティアは一人称視点で歩いているアバターを見て、自分の目を通して見ているかのように感じ、一方で完全な脊髄損傷のある人々は同じ経路を自転車で進む自分を見ました。参加者がリラックスしているときはアバターは停止し、歩くまたは自転車を漕ぐことを鮮明に想像すると、コンピュータが彼らの脳信号をデコードしてリアルタイムでアバターを前進させ、音声フィードバックを鳴らし、脊髄損傷群には脚に対する穏やかな筋刺激を電気パルスで与えました。

筋肉のように脳を訓練する

この脳–コンピュータインターフェースを制御することを学ぶのは即座にはいきません。スポーツや楽器を学ぶのと同様に練習が必要でした。健常の参加者は異なる日に計15回の訓練セッションを行い、各回は約1時間続きました。各セッションはキャリブレーション期間から始まり、システムが参加者のリラックスと歩行イメージを交互に“聞き取る”ことで、その二つの状態を区別するための新しいモデルを構築しました。キャリブレーションの後、参加者はより長いランに入って音声指示に従い、リラックスするか歩行を連続的に想像するかを1分間行い、アバターの動きはデコードされた脳活動を反映しました。別の自由制御フェーズでは、外部の指示なしに5分間でできるだけ多く自発的にアバターを前進させることを試みました。

より明確な脳信号と改善した制御

時間とともに、参加者が動くことを想像したときと休んでいるときに脳が生み出すパターンはより信頼できるものになりました。研究者たちは、特定のデコードアルゴリズムに依存しない数学的手法を使って、これらのパターンがどれだけ明瞭で安定しているかを測定しました。セッションを重ねるごとにこれらの指標は改善し、参加者が実際に脳活動を形づくることを学んでいることを示しました。この学習は制御の改善に結び付き、健常者では「歩く」と「リラックス」を判別するコンピュータの精度が初期のセッションで約60％から後半では約80％に上昇しました。自由制御試行では、正しくデコードされた歩数は2倍以上になりました。脚を動かしたり感覚を感じたりできない長期の運動・感覚完全脊髄損傷を持つ人々も有意な向上を示しました。彼らの分類精度は、高50％台から70％超へ上昇し、VRフィードバックと脚の筋肉刺激を受けながら「漕ぐ対リラックス」のより明確な脳信号を出すことを学びました。

仮想現実が重要な理由

没入型のVR環境は重要な役割を果たしているように見えます。自分の想像した動きと同期して生き生きとした身体の動きを見ること自体が、運動や身体認知に関わる脳ネットワークを活性化し得ます。森の環境、一人称視点、微かな音は、単純な画面上の記号を見るよりも体験を魅力的にします。脊髄損傷の参加者にとっては、彼らの脳の指令に連動して現実世界で脚が電気刺激で動くという追加のフィードバックが、意図と感覚フィードバックの結びつきを強めた可能性が高いです。本研究には非VRの対照群は含まれていませんが、豊かな感覚フィードバック、ゲームのような設定、反復訓練を組み合わせることが脳の内部にある運動の“設計図”を洗練させる助けになることを示唆しています。

将来のリハビリテーションに向けた一歩

一般向けの要点は、脳は壊滅的な損傷の後でも、何年経っても適応し続けるということです。思考に即座に反応する仮想世界の中で歩行や自転車漕ぎを想像して練習することで、健常者も完全脊髄損傷者も、コンピュータが理解できるより正確な運動信号を送ることを学びました。本研究だけで現実世界での歩行が回復するわけではありません。しかし、運動の基盤となる脳回路を強化し、低コストの乾式電極ヘッドセットや市販VRが長期訓練を支援できることを示しています。将来的には、同様のシステムがロボット外骨格や高度な電気刺激と組み合わされ、これら改善された脳信号を仮想現実の外での実際の機能的な動きへと変換する手助けをするかもしれません。

引用: Mannan, M.M.N., Palipana, D.B., Mulholland, K. et al. Virtual reality mediated brain-computer interface training improves sensorimotor neuromodulation in unimpaired and post spinal cord injury individuals. Sci Rep 16, 6215 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36431-3

キーワード: 仮想現実リハビリテーション, 脳–コンピュータインターフェース, 運動イメージ訓練, 脊髄損傷, 神経可塑性