腕と脚を待つ

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常にプラン C がある。ウェストポイントはそれを教えてくれる。道に地雷が敷かれ、橋が粉々に砕け、敵の旅団が左側に集結しているなら、新しい道を見つけ、新しい橋を架ける。それが陸軍の DNA であり、成功する戦士の構成要素であり、エリート陸軍士官学校に入学して最初の数週間、そして女子バスケットボール チームのガードとして働いていた頃から、ドーン ハルフェイカー大尉の細胞に染み付いている。前進し続けろ。常に別の方法がある。

そして、あなたは卒業し、武器と外国の文化に興奮するアクションジャンキーなので、バグダッド郊外の憲兵署の運営を任されます。2004 年 6 月のある朝、日の出前、あなたはハンビーで日常のパトロール中、ガタガタと走っています。誰かがロケット推進手榴弾をあなたに向けます。それは幸運なショットでした。爆弾は車両にトンネルを掘り、仲間の腕を切断し、あなたの腕を吹き飛ばし、腱と筋肉がスパゲッティのようになりました。反乱軍が手に負えないものは外科医が処理し、粉砕された右肩甲骨の下には期待以外の何も残っていません。

あなたは24歳、コンピューター時代の子供です。目が覚めて、書くことや食べること、ジャンプシュートをするための右腕がもうないことを知ったとき、スーパーコンピューターと再建手術を発明した国が、あなたに何か輝かしく素晴らしいものを与えてくれると知ります。それは、「アイ、ロボット」のウィル・スミスの腕に匹敵する腕です。

イラクとアフガニスタンへの侵攻以来、370人以上の米兵が手足を切断した。ワシントンDCのウォルター・リード陸軍医療センター3階では、車椅子の渋滞が起きている。そこでハルフェイカーはメリッサ・ストックウェルと親しくなった。彼女は元体操選手でロッククライマーだったが、2004年4月に道路脇の爆弾で左足を失うまで、バグダッドに数週間しか滞在していなかった。

二人の女性は、もどかしさから絆を深めた。26歳のストックウェルは、マイクロプロセッサで強化されたC-Legを装着したが、痛みから解放されて歩くのに何ヵ月も苦労し、彼女が「小さな脚」と呼ぶ部分を固定している大きなシリコン製のソケットが擦れたり横に突き出たりして、足を引きずっているのが伝わらないようにと願っていた。ハーフェーカーは、無血の肩関節離断症と呼ばれる状態になった唯一の女性兵士で、彼女の右側は切り立った崖のように不毛だった。義肢装具士は最初、彼女に部分的に機械式で部分的に電池式の腕を装着した。その腕は、盾のようにフィットし、ベルクロで彼女の体に取り付けられた厚いプラスチック製のソケットで固定されていた。この装置は筋力で作動し、彼女が肩をすくめると、滑車とケーブルが電動アームを作動させて角張った爪を開く。それは以前の戦争で生まれた義肢で、不快で扱いにくく、プレイスクールのおもちゃのように感じられた。彼女は義肢装具士に不満を伝えた。 「20 ポンドの腕は要りません。3 ポンドの腕が欲しいのです」と彼女は彼らに言った。彼女の動きを遅くしない腕だ。彼女に提供されたのはフックのような手だった。第二次世界大戦後の泣ける映画『我が生涯最良の年』からそのまま飛び出してきたような装置だ。絶対にだめだ。「だって、フックみたいだから」とハルフェイカーは言った。

それで終わりだった。プラン C はなかった。ストックウェルには、痛みもなく素早く歩ける脚とソケットがなく、青白い太ももに生々しい痛みの跡を残さなかった。ハーフェイカーには、シルクのブラウスの下に滑り込ませられるほど強くて機敏で軽い腕がなかった。ストックウェルは粘り強く、新しい機械の脚で歩くことを学んだが、明らかに足を引きずっていた。彼女は順応した。ハーフェイカーは反抗し、腕を部屋に積み上げたままにした。彼女は、空になった袖を脇に垂らした片腕で、洗濯、着替え、運転、走ることを学んだ。彼女も順応した。

しかし近い将来、ストックウェルやハルフェイカーのようなイラク退役軍人の経験もあって、義肢装着者はそれほど多くの適応をしなくてもよくなるだろう。適応するのは義肢なのだ。

義肢マンハッタン計画

義肢患者の義肢は、スピード、可動性、快適さ、見た目など、何もかもが最適というわけではない。これは、市場が安定しているとはいえ規模が小さく、義肢技術の進歩に資金が、たとえばガン研究ほど多く流れていないことが一因である。米国には約 180 万人の手足切断者がおり、そのほとんどは脳卒中や糖尿病の高齢者だが、義肢使用者の数はそれよりはるかに少ない。もちろん、もう 1 つの阻害要因は、人間の手足の動きや器用さを機械的に再現するという途方もない課題である。人間の手足は、骨や筋肉の強さと同じくらい、脳との双方向のコミュニケーションに依存している。

しかし、ハルフェイカーとストックウェルが負傷したのは、四肢切断の予防と治療に対する国の姿勢にとって幸先の良い時期だった。全国的な支援団体「アメリカ退役軍人障害者協会」は、義肢が合わないために腰や股関節の痛みが悪化する高齢の退役軍人へのケア改善を求めてロビー活動を行っている。一方、イラクでは、ケブラーベストと優れた戦場外科ユニットのおかげで、過去のどの戦争よりも多くの負傷兵（四肢を失った兵士も含む）が生き延びている。ベトナム戦争で負傷した退役軍人への粗末な扱い（義肢が届くまで何ヶ月も待たされることもしばしば）を痛感している政府当局者は、これらの若い男女には同じ扱いはしないと誓っている。

現在受けられる最善のケアに加え、その約束は将来への本格的な投資を促した。ソケットやコンピューター制御の身体拡張だけを考えるのではなく、分野を超えて協力し、あらゆる角度から探究し、サンショウウオの再生能力も探究するようにと科学者たちは言われている[74ページの「サンショウウオの秘密」を参照]。2005年、退役軍人省はロードアイランド州プロビデンスのVA医療センターに修復・再生医療センターを設立するため720万ドルの予算を計上した。今年、地雷探知ロボットロブスターから睡眠不足研究まであらゆるものに資金を提供してきた国防高等研究計画局は、2つの義肢プロジェクトに4850万ドルの資金提供を開始し、チームが2年以内により強力で機能的な腕を考案し、4年以内に感覚機能とより広い可動域を持つ神経制御の腕を神経制御で開発することを期待している。

究極の目標は、身体と相互作用し、脳の欲求に直接働きかけて進捗状況の報告を送り返す義肢を作ることです。これを実現するには、義肢に速度、角度、歩行、バランスに関する情報を収集するための追加のセンサーが必要になります。金属、プラスチック、その他の材料の改良により、義肢はより軽量で柔軟性が高く、身体に簡単に組み込めるようになります。「調整とコミットメントの点で、一種のマンハッタン計画が必要です」と、MITメディアラボのバイオメカトロニクスグループのディレクターで義肢のイノベーターであるヒュー・ハーは言います。ハーは、ニューハンプシャー州で10代の頃にアイスクライミング中に凍傷で両足を失い、以来数十年間、膝下の義肢を2本着用しており、手足切断者の擁護者として他に類を見ない知識を持っています。「私たちは、多くのコアテクノロジーが現実に近づいている歴史の時代にいます」と彼は言います。「そして、資金があれば、ハリウッドでさえバイオニクスと見なすような、劇的で深遠なイノベーションの機会が生まれます。」

苦労の末の進歩

第二次世界大戦前、手足を失った人は固定式の義肢を装着していたが、これは義足とほとんど変わらないものだった。その後、ストラップ、ケーブル、滑車を多用した複雑な機械式義手が登場し、問題が浮上した。1960年代までに、ソ連の科学者は、手足を失った人の身体にははるかに多くのリソースがあることを発見した。皮膚に取り付けた電極で筋肉の筋電信号（収縮）を検出し、それを電池式の義手に伝達して、腕を曲げたり伸ばしたりできる。1980年代初めには、ベトナム戦争で負傷した退役軍人のニーズが研究に拍車をかけ、マイクロプロセッサによって動きや速度、回転や屈曲の段階的な制御が可能になった。それでも、硬い義手は、シームレスに組み合わされた動きを実行するのではなく、多くの個別の、時にはぎくしゃくした動きを連続して行う。この技術は、肘、手首、手を動かすために一度に1つの信号を処理していた古い筋電義手を超えて進歩している。しかし、これらのコントロールを同時に機能させても、動作が遅くなり、装着者の集中力が要求されます。単に食器を洗ったり、服を着たりするだけでも疲れてしまいます。

義足装着者は腕を必要とする人よりも多くのイノベーションを目にしてきた。その理由の 1 つは、下肢切断者 (切断者の 95%) が多いためであり、これは技術の向上に取り組む人々にとってより大きな市場を意味する。ドイツの Otto Bock HealthCare 社が製造する Stockwell の C-Leg は、マイクロプロセッサと油圧装置を採用しており、装着者の体重の一定の割合が移動すると、義足が自動的に前方に振れるようになっている。アイスランドの会社 Ossur 社の新しい Rheo 膝は C-Leg に似ており、マイクロプロセッサを使用して膝の位置と負荷を感知し、義足が人の歩き方に適応できるようにする。

しかし、これらのハイテクな代替品は、装着者にその手足が空間のどこにあるかを伝えることはできません。装置は沈黙して孤立して動作し、中枢神経系と情報を共有できず、ユーザーの希望を把握することも、反対側の手足と連携することさえできません。C-Leg が縁石を乗り越えたかどうかを知る唯一の方法は、足を直接見ることです。「足首はもう一方の足首と通信します。分散しているのです」と、Rheo の発明者の 1 人である Herr 氏は言います。「切断者はまだ分散していません。ですから、Rheo または C-Leg を使用していて、歩いているときに前方に段差が見えても、膝にそれを伝える方法はありません。」

さらに痛みもあります。義足は重いことがあります。腕のソケットがきつすぎると、締め付けられます。大きすぎると、義足が不安定に感じます。C-Leg を装着して 6 か月が経ちましたが、ストックウェルさんは、胴体、腰、脚を段階的に動かしていました。人がじろじろ見るのを嫌がりました。彼女は冬でもショートパンツを履くことにしました。「パンツを履いて『どうしたの？』と思われてしまうより、脚を見られるほうがいいです」と彼女は説明します。

バイオニクス：まだその技術はない

腕や脚の切断位置が上であればあるほど、柔軟性と可動域は失われます。足を失うことは膝を失うことよりマシです。手首を失うことは肘を失うことよりマシです。複数の関節を切断すると、回内、回外、外転、内転が失われます。これらはアイスティーをすすったり、道路の穴を避けたりするのに必要な、美しく複雑な多関節の動きで、現在の義肢では簡単には真似できません。

整形外科医のロイ・アーロンは、このことを理解している。ブラウン大学医学部の教授は、腕や脚を失った兵士の話を読むたびに、冷静になった。彼らは、しなやかで活動的で意志が強く、最高の体格の人たちだった。現在の義肢を何年も装着していると、関節炎やその他の過度の使用による障害で不自由になってしまうだろう。

アーロンは、自分の体が故障したときに、このことについてもっと深く考える時間がありました。2004 年に腰痛で数か月寝たきりになったとき、彼は多方面にわたる義肢プロジェクトについてメモを口述しました。このプロジェクトは、組織工学、電子工学、冶金学、神経学、ロボット工学を融合し、ハイブリッドな手足 (一部は生物、一部は人工) を作成するための一連の技術を活用します。このプロジェクトにより、いつの日か、手足を失った人々が柔軟に痛みなく動けるようになり、心と体が再び一体となって機能できるようになります。研究者が失われた組織と神経を置き換え、新しい肉を、装着者の心と体が何をしたいのかを感知できるスマートなロボット義肢と統合できれば、これらの若者たちは再び楽に動けるようになるだろうとアーロンは考えました。

アーロンのタイミングは絶好でした。彼のビジョンのおかげで、退役軍人省の新たな資金の一部が確保され、修復・再生医療センターの設立に役立ちました。そこで彼は、損傷した関節を救い、一般的には切断肢と呼ばれる残存肢を延長する方法を模索しています。彼の目標は、人間がアホロートルを模倣することです。アホロートルはサンショウウオの一種で、進化のスケールで四肢を再生できる最も高度な動物です。「四肢を切断すると、腕全体、脚全体、つま先などすべてが再生します」と彼は言います。「このイモリとどのように話せばいいのか、どうやって再生するのかを解明する必要があります。」

しかし、この技術が約束する素晴らしい未来は、ハルフェイカーにとってはあまりに遠い。彼女はウォルター・リードの特注義肢デザイナーと協力し、軽くて本物そっくりだが、それ以外はまったく機能しない義肢を作った。デザイナーたちは、彼女の傷跡にフィットし、ブラジャーのストラップで固定される半透明のシリコン製ソケットライナーを作った。その上に、いくつかの位置に曲げられるチューブが付いたアルミ棒をねじ込んだ。次に、ウレタンフォームのパッドを追加し、最後に、所定の位置に曲げられるステンレススチールの指を取り付けた。彼女の新しい腕は、CSI:マイアミの元メイクアップアーティストによって、そばかすも含めてもう一方の腕と一致するように手描きされた。モーターもセンサーもマイクロプロセッサもない。心理的な効果以外は何もない。それはハルフェイカーの袖をいっぱいにし、一見すると彼女が完全に見えるようにするだろう。「以前のようになりたいの」と彼女は言う。「そう思わない人がいるだろうか？」

身体とバイオニクスの融合

ハーフーカーに優しい義肢を作るまでの道のりには多くのハードルがありますが、最も重要なものの 1 つは、肉体と義肢が接するソケットです。義肢を吊り下げる真空ソケットや、一定のフィット感を保つために液体を加えたり取り除いたりする吸引ソケットなど、ソケットに関する多くの革新がありました。しかし、最良の選択肢はソケットを完全になくすことです。

1952年、スウェーデンの整形外科医ペル・イングヴァル・ブラーネマルクは、ウサギの骨に挿入したチタン棒がうまく癒合することを発見した。彼はこれをオッセオインテグレーションと名付け、この技術は歯科インプラント、すなわち患者の骨に固定された棒の上に作られた入れ歯に素晴らしい効果をもたらした。1990年、ブラーネマルクの息子でスウェーデンのヨーテボリにあるサールグレン大学病院の整形外科医であるリカードは、義手や義足の安定した土台として棒を人間の患者の骨に外科的に埋め込んだ。しかし、何人かの患者が合併症に悩まされた。棒の周りの皮膚が癒合せず、まるで傷口のようになってしまい、感染症が生じた。

ブラウン大学では、分子生物学者のジェフリー・モーガンと工学部長のクライド・ブライアントが、こうした感染を阻止する方法を模索している。ブライアントは、チタンと合金の実験を行い、人体組織と相性がよく、しかも強度のある組み合わせを模索している。モーガンは、金属にくっついて自然な密着性を形成する皮膚細胞を培養している。不可能ではないはずだ。「ブラウン大学の学生は鼻にピアスを開けている」と彼は言う。

科学が人工肢を取り付けるよりよい方法を見つけ出したら、次は義肢そのものがもっと賢くなり、脳から直接送られる信号に反応できるようになる必要がある。テネシー州デイトンの送電線工ジェシー・サリバンのケースを考えてみよう。彼は2001年に仕事中に感電し、両腕を肩から失った。1年後、医師らは彼の左腕を制御していた4本の神経（もはや筋肉には流れていなかった）を肩のあたりから胸筋に移した。その6ヵ月後、シカゴ・リハビリテーション研究所の人工肢神経工学センター所長トッド・クイケンが神経の信号を検出した。クイケンのチームはサリバンの胸の表面に電極をちりばめ、ワイヤーで多関節義肢につないだ。目標は、サリバンの切断された神経からの信号の方向を変えることで脳と義手を接続することだった。そしてそれはうまくいった。医師がサリバンに手を開くことを考えるように言うと、装置はほぼ本能的に開いた。「怪我をしてから最高の気分でした」とサリバンは言う。彼は今、食事も芝刈りも洗濯もできるが、彼の腕は神経の潜在能力のほんの一部しか発揮していない。手を閉じる神経は少なくとも20の筋肉を制御しているとクイケンは言う。「そして私はその神経をたった2つの異なる信号にしか使っていません。それを解明すれば、もっともっと制御が良くなるかもしれません」。クイケンは現在、サリバンが何に触れているかを感じるセンサーを開発している。

義肢に電力を供給する別の方法は、神経を迂回して脳に直接電力を供給することだ。ブラウン大学の脳科学プログラムのディレクターであり、マサチューセッツ州フォックスボロのサイバーキネティクス ニューロテクノロジー システムズの最高科学責任者でもあるジョン ドノヒューは、ブレインゲートの発明でその実現に取り組んでいる。ブレインゲートは、刺傷事件の被害者で、25歳で麻痺したマット ネーグルに2004年に埋め込まれたチップである。ネーグルは、一次運動野に4ミリメートル四方のチップを埋め込み、コンピューター画面上のカーソルを右に動かすことを考える。彼のニューロンは特定のパターンで発火し、そのデータは頭蓋骨に取り付けられたプラグを介してコンピューターに送信され、カーソルを動かす。すぐに、ブレインゲートの開発者たちは非常に野心的になった。彼らはコンピューターにつながれた義手をネーグルの膝の上に置き、手を開くように言った。彼は考えただけでそれを実行した。そして手が開くと、驚いて悪態をついた。ドノヒュー氏は、将来のバージョンは無線で作動すると約束している。サイバーキネティクス社は、無線送信機と完全に埋め込み可能な電源を使用する制御システムを開発している。

完全にワイヤードな手足

やがて、脳は信号を送っている義肢からの応答を聞き始める必要がある。通常、脳は人間の脚から、移動している地形、傾斜の角度などの感覚フィードバックを大量に受け取り、必要な調整を信号で知らせることができる。次世代の義肢には、Rheo や C-Leg よりもはるかに多くのセンサーが搭載される。生物の関節が受け取る合図のすべてではないにしても、多くを拾い、自身の傾斜、前方への推進力、空間の向きを追跡できるようになる。

しかし、義肢にセンサーを埋め込むことは、そのセンサーが装着者の脳や脊髄と通信できる場合にのみ有用である。そのような通信の最も有望な仲介者は、人工神経細胞、または「バイオニックニューロン」と呼ばれる発明である。南カリフォルニア大学のアルフレッド・E・マン研究所の研究者らが開発したこれらの埋め込み型デバイス（電極を備えた長さ数センチメートルのガラスカプセル）は、麻痺の治療や脳卒中および関節炎患者の手足を刺激するために、すでに患者の筋肉や神経の中または近くに注入されて成功している。研究者らは現在、既存の神経信号を増幅して筋肉に指示を送り、手足からのフィードバックを処理するBION2に取り組んでおり、動く指を持つ手などの義肢と装着者の脳との通信を改善する可能性がある。

これらのセンサーが、例えば坂を上るなど、脚に追加の力が必要だと判断すると、義足に統合されたコンピューター制御のモーターと連動して作動し、装着者の力を高める。ハー氏と彼のチームは、バネのように動作したり、エネルギーを加えたり消散させたりできる「アクティブ アンクル」を開発した。彼のプロトタイプには、足首にモーターと一連のバネが組み込まれている。装着者の残りの脚の筋肉にはワイヤレス センサーが埋​​め込まれ、足首の内部コンピューターと通信して、必要に応じて力を増強する。ハー氏はこの装置を自分で試し、電動の空港ターミナルの通路に飛び乗るのと同じだと表現している。「これが製品だとしたら、カタパルトと呼ぶでしょう」と彼は言う。

こうした技術が洗練されていくにつれ、人工の手足は外見から見ても、そしておそらくは内部からも、人間の手足に似てくるようになるだろう。なぜなら、人間のデザインは、その多くのタスクに非常によく適合しているからだ。より自然な器用さを実現するために、関節のない 3 本の指しかない手は、多関節の指に置き換えられるだろう。機械の膝と足首は、次第に合理化され、効率的になるだろう。最終的には、関節を動かす手段さえも、より人間に似たものになるだろう。

カリフォルニア州メンロパークのSRIインターナショナルのシニア研究エンジニア、ロイ・コーンブルー氏は、電圧をかけると伸び、電源を切ると縮む電気活性ポリマー（人工筋肉とも呼ばれる）の実験を行っている。「電圧が高ければ高いほど、伸びるのです」とコーンブルー氏は言う。このプロセスは、化学信号に反応して形を変える人間の筋肉を模倣している。

あらゆるステップを熟考する

兵士が片足を失うと、立つことを学ぶためだけに何時間も理学療法を受ける。ストックウェルは最初、松葉杖をついていた。次に、2本の杖を使って立った。そして1本。片足で立った。立ってボールを投げた。最後に、C字脚で立ち、平行棒をよろよろと降りた。やがて、彼女は棒から自由に歩けるようになった。そして、長くて伸縮性のあるセラバンドで馬のようにつながれた理学療法士を部屋中引っ張って回った。走ることは最後のステップであり、装着者が身体と機械の力学を管理することに成功したことを示す究極のサインである。彼女は人工膝関節のない足で走ろうとしたが、そのためには円を描くように泡立て器で蹴らざるを得なかった。その努力は彼女を疲れさせた。

彼女の義肢装具士、エリオット・ウェイントローブは別の考えを持っていた。昨年の春先のさわやかなある日、ウェイントローブ、ストックウェル、そして同じく兵士である夫のディックは、バージニア州北部のトラックに車で向かった。ストックウェルは、オズール・トータル・ニーと、弾力のあるオズール・フレックス・ラン・フット（逆さまの大きな疑問符のような形をしたバネ）でできたソケットに滑り込んだ。膝は自由に前方に振れるが、転倒しそうになったときに膝を受け止めて固定するC脚の機能は備えていなかった。

「怖いわ」ストックウェルさんは夫にそう言い、髪の毛を耳の後ろに留めた。

「君ならできるよ」と彼は優しく答えた。二人は真ん中の車線まで歩き、彼は彼女の耳元で「出発だ！」とささやいた。

彼女は義足を前にバタバタさせながら、ぎこちなく長い6歩を歩いた。習慣的に、彼女は泡立て器のような動きをしていた。ワイントロブはそれを指摘した。

「気分は良くなったわ」と彼女は期待を込めて言った。彼女は再び走り始めたが、ぎこちない歩き方で立ち上がったり倒れたりした。彼女は立ち止まり、顔は赤くなり、髪の毛が顔の周りで渦巻いていた。彼女は再び走り始めた。腕を体に押し当てながら、素早く短い歩幅で痛みが伝わってきた。彼女はまるで何度も何度もつま先をぶつけたかのように走った。

やがて彼女はコツをつかんだ。数か月後、彼女は腕にクランクをつけた自転車を使ってロードレースやトライアスロンに出場できるほど脚が動くようになった。昨年秋、経験に刺激を受けて、ストックウェルはミネソタの大学で義肢装具を学び始めたが、その間ずっと、自分が選んだ分野はいずれ廃れてしまうだろうと確信していた。100年後には義肢は必要なくなるだろう、と彼女は興奮気味に言う。医師が手足を再生するようになるのだ！

しかし、昨年の春のトラックでは、背中が痛く、お尻が擦りむけ、次に左足をどこに置くかを考えるのに疲れていた。「一歩ごとに」と彼女は言った。「一歩ごとに考えてしまいます。」

スザンヌ・サタリンはボストン在住のウォール・ストリート・ジャーナル記者です。