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バイオニック研究室

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主要なテーマと関連論文


  1. 経神経的な循環器疾患の治療
  2. 生体の詳細な数値モデル:デジタルメディシン
  3. 究極の医療:自動的な診断治療

1. 経神経的な循環器疾患の治療

効率的にバイオニック心臓病学の開発を進めるためには、いくつかの基盤技術が必要になる。まず、脳幹部から自律神経を介して送出される情報を読み取る(脳を聴く)ことができると、生体による人工臓器等の直接制御に道を開く。また、脳幹部の機能が廃絶する病態に対しては脳幹部の循環調節機能を電子的に再構築(脳を創る)することができれば、生体は正常な循環の維持が可能になる。さらに、循環調節系が病態に対して不合理な制御を行っている場合には、生体に代わりデバイスにより直接循環を制御する(脳を超える)仕組みを構築することができれば、病態に対してより合理的な制御に道を開く。以下、簡単に脳を聴く、創る、超える先端医学について紹介する。

脳を聴く基盤技術の系統開発
脳を聴く:神経制御のペースメーカー生体のあらゆる臓器、組織は調節系により統括的な制御を受けることで、相互に整合性のある機能を発揮し生命活動が維持されている。近年、人工心臓や左心室補助ポンプなどの人工臓器の開発が急ピッチで進んでいるが、現状ではそれらの機能は他の臓器とは独立して制御される。そのため、必ずしも生体と整合性のある機能が発揮されない。そこで、これらの人工臓器を自律神経で直接制御することが出来れば、人工臓器もあたかの生体の一部として動作することになる。

脳を聴く技術による心臓交感神経活動の翻訳を示す。図はウサギの心臓交感神経活動(CSNA)と心拍数(HR)の関係を示す。図左に示すように、それぞれの瞬時値は有意な相関を示さない。すなわち、ある瞬間の心拍数はその瞬間の神経活動で確定していないことを意味する。そこである瞬間(n)の心拍数はその瞬間の神経活動の大きさ(NA)だけでなく、過去の神経活動の大きさも反映していると考える。神経活動の履歴はユニークな重み付関数h(t)で定量化できるとする考え方である 。

履歴を考慮したアルゴリズムによる翻訳すなわち、
HR(n)=h(0)NA(n)+h(1)NA(n-1)+. . . .
とする。
図右に示すようにこの枠組みで交感神経活動から正確に心拍数を推定することが出来ることが明らかになった。このような機能を有したバイオニックペースメーカは、生理的な心拍数制御を模倣し運動ストレスや情動ストレス(怒り・驚き・緊張等)時にあたかも正常の心臓のように心拍数が増加することになる。原理的には既存の心拍応答型のペースメーカーの機能を遙かに凌駕するシステムの開発が可能な時代になってきている。
脳を創る(失われた脳幹部機能を再構築する)基盤技術の開発
脳を造る:バイオニックブレインによる血液制御循環系は脳幹部の血管運動中枢で厳密な制御を受けている。特に血圧制御はよく調べられており、動脈圧受容器反射が有名である。通常はこの仕組みのおかげで血圧は体位の変化による血液の移動にともなう血圧変動を強力に抑制している。圧反射は負帰還を用いた血圧の安定化システムである。図左に示すように頸動脈や大動脈弓部に局在する伸展受容器(圧受容器)が血圧変動を感知する。その情報は求心線維による脳幹部の血管運動中枢に送られる。血管運動中枢は血圧の高低を判断し、低ければ心臓には心拍増加や収縮性の増加命令を、動脈には血管収縮命令を、静脈には静脈収縮命令を送る。その結果、心拍、心収縮性、血管抵抗、前負荷の全てが増加し、血圧も増加する。増加した血圧は再び圧受容器で感知され負帰還を介して血圧は安定化する。

ある種の神経変性疾患では脳幹部の血管運動中枢が機能を停止する。そのため、血管や心臓は正常でも、制御不全のため、患者は重篤な起立性低血圧に苛まれる。現在のところ、この種の疾患に対する有効な治療はない。図右はそのような病態を克服するために脳幹部機能を電子的に再構築するバイオニック血圧制御システムの枠組みを示す。血圧は動脈内に留置された半導体センサーで感知される。感知された血圧は高低をバイオニックレインが判断する。バイオニックブレインはその判断に応じて交感神経遠心路を刺激し、必要な血圧制御を行う。従って、原理的には生体と同じ圧制御システムになる。しかしながら問題如何にしてバイオニックブレインに脳幹部の論理を移植するかが問題になる。実験的に圧受容器に圧変動を与えた際に動脈圧がどのように変化するかは計測可能な量である。一方、交神経節を刺激した際の血圧応答は計測可能である。これらの情報より、脳幹部に必要な血圧を神経刺激情報に変換する伝達関数を確定することができる。
 
人口脳による血圧制御図は実際にこのようにして開発された、人工脳幹部の動作を示す。ここでは腹腔神経叢を刺激している。脳幹部機能が正常の場合にはラットを起立させても血圧の低下は10 mmHg程度に収まる。脳幹部機能が失われると、起立により血圧は2−3秒で 50 mmHg程度低下する。しかしながら、バイオニックシステムを動作させると、正常に近い血圧の維持ができるようになることが示された。

これらのバイオニック血圧制御に関する一連の研究は、その臨床応用に道をひらいた。すでにこの成果を用いた術中の血圧安定化が大きな成功を収めていることが報告されている。中枢の変性疾患による血圧失調はまれな病態だが、いわゆる起立性低血圧や神経起源性心臓失神あるいは脊損患者の血圧失調等の治療戦略として、その将来性に大きな期待が寄せられている。
脳を超える心臓制御を実現するバイオニックブレインの基盤技術の開発
最近の知見によると心不全では生体の制御系が不適切に作動することで予後が悪化することが次第に明らかになってきた。そのため、ベータ遮断薬のような心臓や血管に対して抑制的に働く薬剤が第一選択として使われるようになった。当然、心・血管の抑制は薬剤でなくても可能である。とりわけ、心臓を支配している交感神経や迷走神経の緊張を血管運動中枢に変わり電子的に制御するバイオニックブレインが開発できれば、心不全の強力な治療法になる可能性がある。そこで、我々はこのような枠組みに基づきバイオニックブレインによりラットの慢性心不全モデルの治療を試みた。

ラットには心臓の状態をモニタするための超小型の血行動態の計測装置を植え込み、無線で体外の制御装置(バイオニックブレイン)に情報を伝達する。バイオニックブレインは適切な制御条件を確定し、その情報を体内に埋め込まれている心臓の自律神経刺激装置に無線で送る。埋め込まれた刺激装置は命令信号に従い、心臓の自律神経(右頸部の迷走神経)を制御する。このようにすることで、心臓は脳幹部ではなく、体外のバイオニックブレインが制御することになる。

不全心に優しい制御あらかじめ動物には心筋梗塞を作成し、重篤な心不全になるようにしておく。その動物を自身の脳幹部が制御した場合と、梗塞発症2週間後からバイオニックブレインが制御した場合の比較を行った。その結果、右図に示すように、治療を受けたラット(治療群、n=22)は20週における死亡率が50%(未治療群、n=30)から10%と劇的に低下(p=.008)することが示された。このような治療法が有効であった理由はまだ充分に解明されていない。脈拍の低下、エネルギー代謝の改善、抗炎症効果などが考えられ、仕組みを解明するための研究が続いている。ICDやCRTとともに埋め込み型の装置の開発が進んでいる。
関連業績
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  2. 生体の詳細な数値モデル:デジタルメディシン
  3. 究極の医療:自動的な診断治療

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