神経工学

神経工学（Neuroengineering または Neural engineering）とは神経科学と電子工学を融合した境界領域である。

概要

神経工学は神経科学を基礎としている。神経科学で研究された生体の神経の構造や生理的なものを工学的に利用するものである。主に脳内に存在する神経回路網に対し工学的なアプローチを行う学問分野である。神経工学がアプローチを行う場所は感覚器官、神経経路、脳である。神経回路を構成するニューロンは化学物質によって電位を変化させることで互いに情報を伝達している。これは電子回路に似た性質を持っているため、電子回路によって模倣することや電子回路と接続することが理論上可能である。

生体制御の物理現象

神経工学は神経のメカニズムを制御するのだが、神経工学と神経のメカニズムは幾つかのメカニズムで強い結びつきをみる。神経にはミネラルが水に溶けたイオンが満たされており、イオンの移動が電流となっている。電気、電気を誘導する磁場は神経を制御する基本的な物理である。耳は空気中の振動で有毛細胞のイオンチャネルが制御されている。同志社大学の小林耕太先生は赤外線が蝸牛に照射されると音が聞こえるという研究をしている。赤外線は熱の膨張によりイオンの交換が行われてるのではないかと言われている。

神経回路の方向性

神経回路のアプローチは異なる方向性で説明される。方向性はエンコードとデコードである。

知覚経験は空間に存在する光や音や触れ合いを人が経験することで感覚される。知覚経験は物理現象で言うと、電磁波や振動や圧力と説明される。神経回路に流れるのは電流である。幾つかの物理現象と神経回路の電流は物理現象が異なるので通じないのだが、別の形に変換することで電流として神経に流すことができる。光や音が真空中で30万km/sであるのに対し有髄神経は70-150m/sと異なる。知覚経験が神経に流れるには神経回路に丁度いいリズムにエンコードされなければならない。エンコードは幾つか困難があり、一人の人間の知覚経験をエンコードすることはできても、自分のエンコードを他人に流しても通じない。他人の顔かたちや身長が違うように神経の長さや臓器の形状が若干異なるので、パルス波形のデータがほとんど通じない。器質的な事情で自分と他人の神経のリズムは違うので翻訳が必要になる。

神経の周りに発生する磁場を計測して、計測したものはデータになる。データから間接的に脳の電気状態を知ることができる。神経の周りの磁場と計測との間に困難がある。脳は周辺に電気と磁場が幾つも発生しているので乱雑なパルス波形として計測される。乱雑なパルス波形は原因となる一つの脳波の状態に復元する仕事をデコードと言う。BMIは脳波を計測して機械の制御まで応用したものであるが、侵襲的に行われるのは脳を切開して直接的に計測することを意味している。

神経工学はエンコードが主流である。

応用例

神経工学は一致する技術を用いられていても学問の目的により異なる研究領域で呼ばれる。単純にメカニズムを理解して工学的に神経に接続することを意味すると神経工学だが、病気の治療目的のものは生体医工学、精神病を治す目的のものは精神医学、電気を生体に流した心理的な反応を知りたいものは心理学である。

誤解を招く領域

この類の工学は分析されると違いが明らかになる。工学は人と機械に分けられるとしよう。人は神経工学と計測に分析される。機械は情報工学と制御工学に分析される。

神経工学は神経にバイパスを通して別の経路から神経情報を伝達するものである。別の経路というのは切断して麻痺した神経に迂回路を作ることもあれば、体外の機械からパルス波形を流して生体を制御するものであってもいい。交通事故などで四肢麻痺患者が生まれることがある。四肢麻痺は強い力で神経の経路のどこかが破損していて情報が伝わらなくなっている。情報が伝わらないので手足が動かないのだ。切断した神経の箇所にバイパスを作り体を従来通りに動かすことができるというものである。計測は生体が流す電気的な情報を拾い集めることである。神経は電流が流れている訳だが、電流の周りに磁場が生じる。磁場を計測することで数値として明らかになる。脳は数値で間接的に推論することができるのである。計測で言われる侵襲というのは神経工学とは意味合いが異なる。頭皮上から磁場を計測するものは間接的であり、このように受け取られると推測されるものに過ぎない。計測の侵襲は頭蓋骨に穿孔して脳にプラチナスパイクを刺し、直接流れる電流を計測するものである。脳を計測するだけのものであるが、コンピュータを操作するまで応用したブレイン・マシン・インターフェースが実用化されている。ブレイン・マシーン・インターフェースは脳は個別の電気状態を持っているのだが、個別の電気情報に計測を行い、個別なものを特別なプログラムに仕分けさせ、それぞれのプログラムは機械のスイッチを入れるというものである。例えば、電動車椅子の人が右に曲がりたいと脳で考えると脳の運動領域に独特な脳波が生じる。その脳波をプログラムで検知し、プログラムが車輪を右に曲げる動作のスイッチを入れるということだ。

脳の情報は人工知能と混同されることがある。人工知能はプログラムの名前である。人の認識方法や思考方法をプログラムにして人に近い情報処理をするプログラムのことである。計測されたデータを人工知能のプログラムで読み取り、プログラムで機械を制御するというものである。交通量を計測して、計測データはプログラムで渋滞状況を仕分けすることができる。人が少ないと認められた道をカーナビに表示するというものである。顔認証とは、人の顔が身長や体重が違うように目の感覚や輪郭や鼻の位置などが独特の配置になっている。独特の配置はプログラムで座標データにされる。特別な座標データはプログラムにより仕分けされ、社員や住居者の場合、鍵を開ける機械の動作に結び付けられる。制御工学は、古くは産業革命の蒸気機関に始まる。蒸気機関は火が水を沸かし、沸騰した水が蒸気となり体積を増やす。増えた体積の圧力を利用してタービンを回すというものである。タービンは回転運動なのだが、回転運動を左右運動や上限運動に置き換えることもできる。タービンの運動を単純作業に結び付けて労働力にするものである。蒸気機関のタービンの回転数は早過ぎることが問題になる。回転が早いと素材が木っ端みじんになってしまうだろう。それなので、火の加え方、タービンの回転数、運動の速さ、これらの一連の動作を制御する。制御工学は機械の動きを制御するというものである。

歴史

第二次世界大戦(1939-1945)は国際連合国の勝利で終わった。敗戦した国際連盟の戦後処理としてニュルンベルク裁判(1946)が行われた。ニュルンベルク裁判は国際連合統治下ではナチスドイツの行った非人道的な生体実験を止めることにしようという人道に対する罪のの裁判があった。裁判結果がはニュルンベルク要綱(1947)という判例となっている。後年、ニュルンベルク要綱を根拠に医師による生体実験の見解を纏めたヘルシンキ宣言(1975)が発表される。ニュルンベルク裁判の直後に米国とソ連の対立である冷戦(1945-1989)が浮き彫りになる。ニュルンベルク裁判は主要戦犯である24名を処罰したのだが、周辺の科学者や医師は処罰を恐れてほとんど国外逃亡することになる。ドイツ人が国外逃亡する先は米国かソ連になる。

冷戦は米国人がソ連の捕虜になり、帰国した時に熱心な共産主義者として帰って来ることが明らかとなった。米国人が共産主義者になる事情を調べると、マインドコントロールが行われていた。マインドコントロールは罰と報酬を使い共産主義者に誘導するものである。マインドコントロールに相打ちを出す作戦として逃亡したドイツ人科学者と医師が集められた。このドイツ系アメリカ人は統合諜報対象局に所属することになる。1960年、統合諜報対象局の出身であるドイツ系アメリカ人がソ連のスパイや捕虜の脳に自由主義の思想を書き込んだり、共産主義の記憶を消す電気刺激実験を行っている。

第二次世界大戦は冷戦を経てアメリカに神経科学と神経工学のカルチャーを伝来させたと考えられる。

結び

神経工学は単純に工学的に生体の神経のを制御するメカニズムを意味していることが理解される。

参考文献

• 脳を活かす研究会「ブレイン・マシーン・インターフェース」オーム社、2007年
• 川人「脳の情報を読み解く BMIが開く未来」朝日新聞出版、2010年
• 倉橋、竹内「神経細胞の科学」日刊工業新聞社、2013年
• 高橋「メカ屋のための脳科学入門」日刊工業新聞社、2016年
• 高橋「続　メカ屋のための脳科学入門」日刊工業新聞社、2017年
• 松尾 内田、人工網膜、岡山大学 研究産学連携、2019
• Advanced Bionics , 人工内耳の仕組み
• 神谷之康、睡眠中の脳活動パターンから見ている夢の内容の解読に成功、神経情報学研究室、2013年
• 吉村 他、「聞こえた音、思い出した音」を脳波から音で再現する技術を開発、東京工業大学、2021年

外部リンク

• IoB(Internet of Brain) 国立研究開発法人科学技術振興機構　ムーンショット型研究開発事業
• 日本神経科学学会