JP2007518469A5 - - Google Patents

Description

前庭の生体機構を改変するためのシステムおよび方法

発明の分野
本発明は、脳および身体の機能ならびに知覚の管理のためのシステムおよび方法に関する。

発明の背景
哺乳動物の脳は（ヒトの脳は特に）、莫大な量の情報を複雑な様式で処理することができる。脳は、例えば、視覚、聴覚、嗅覚および触覚の源を含む、多数の感覚源から感覚情報を連続的に受け取り、変換する。処理、運動および認識訓練を通じて、対象は知覚、弁別および記憶を回復および増強することができており、このことはある範囲にわたる未開発の能力の存在を示している。これらの能力をより適切に拡張し、入手し、制御するためのシステムおよび方法が求められている。

定義
本発明の理解を促すために、さまざまな用語および語句を以下のように定義する：

本明細書で用いる場合、「対象（subject）」という用語は、ヒトまたはその他の脊椎動物のことを指す。この用語は患者を含むものとする。

本明細書で用いる場合、「変換器（transducer）」という用語は、非電気的パラメーター（例えば、音、圧力または光）を電気的シグナルに変換する、またはその逆の変換を行う、任意のデバイスのことを指す。

本明細書で用いる場合、「刺激装置（stimulator）」および「作動装置（actuator）」という用語は、本明細書において、対象の組織に対して刺激（例えば、振動触覚性、電気触覚性、温熱性、その他）を与える、デバイスの構成要素を指して用いられる。本明細書で言及する場合、刺激装置という用語は、変換器の一例をなす。反する記載がなされない限り、刺激装置または作動装置を利用する本明細書に記載の態様が、他の形態の変換器を用いてもよい。

本明細書で用いる場合、「電極」という用語は、回路の非金属性部分、特に生体系の部分（例えば、ヒトの舌の表面にある皮膚）との電気的接触を成立させるために用いられる伝導体のことを指す。

「筐体（housing）」という用語は、本発明のデバイスの少なくとも1つの構成要素を収容または封入する構造のことを指す。好ましい態様において、「筐体」は「生体適合性」材料から製造される。いくつかの態様において、筐体は、筐体の内側の構成要素から延びた導線が筐体の外側の箇所へと内部を通過する、少なくとも1つの密閉フィードスルーを含む。

本明細書で用いる場合、「生体適合性」という用語は、周囲組織に対する刺激的および免疫学的な影響が最小限（すなわち、対照との比較で有意差が認められない）または皆無である、任意の物質または化合物のことを指す。また、この用語は、本発明の筐体またはその他の局面に対する免疫反応を最小限に抑えるか回避する目的で利用される物質または化合物に対しても適用される。特に好ましい生体適合性材料には、チタン、金、白金、サファイア、ステンレス鋼、合成樹脂およびセラミックが非制限的に含まれる。

本明細書で用いる場合、「植込み型（implantable）」という用語は、患者に植え込むことができる任意のデバイスのことを指す。この用語は、さまざまなタイプのインプラントを含むものとする。好ましい態様において、デバイスは皮膚の下（すなわち、皮下）に植え込んでもよく、またはデバイスを用いるのに適した任意の他の位置（例えば、側頭骨、中耳または内耳の内部）に配置してもよい。植え込まれたデバイスとは、対象の内部に植え込まれたもののことであり、対象に対して「外部」にあるデバイスは、対象の内部に植え込まれていない（すなわち、デバイスは対象の皮膚に対して外部に位置する）。

本明細書で用いる場合、「密閉された」という用語は、デバイスの外側に位置する液体または気体がデバイスの内部に入り込むことを、少なくともある程度、防ぐ様式で封止されているデバイスまたは物体のことを指す。「完全に密閉された」とは、デバイスの外側に位置する液体および気体がデバイスの内部に検出可能な程度では全く入り込まないような様式で封止されているデバイスまたは物体のことを指す。封止は、機械的なもの、接着剤または密封剤などを非制限的に含む、さまざまな手段によって行われるものとする。特に好ましい態様において、密閉されたデバイスは、完全に無漏性であるように作られる（すなわち、液体も気体もデバイスの内部に全く入り込むことができない）。

本明細書で用いる場合、「電気触覚的（electrotactile）」という用語は、感覚機能を担っている神経が電流によって刺激されるような手段のことを指す。いくつかの態様において、この用語は、ヒトの触覚（および／または味覚）を担っている神経が、（表面（または植込み）電極を介して加えられる）電流によって刺激されるような手段のことを指す。電気触覚的という用語は、「皮膚電気的（electrocutaneous）」および「皮電的（electrodermal）」という用語と互換的に用いうる。

発明の概要
本発明は、知覚に関係する脳および身体の機能の管理のためのシステムおよび方法に関する。例えば、本発明は、感覚代行および感覚強化ならびに運動制御強化のシステムおよび方法を提供する。本発明はまた、感覚代行、感覚強化および関連効果により、疾患および病状を治療する、ならびに身体的および精神的な健康および遂行能力（performance）を与える、システムおよび方法も提供する。

本発明の開発に際して行われた実験により、機械／脳インターフェイスを、例えば、盲目および視覚障害の個体がビデオカメラまたはその他の映像供給源から高度の視覚を獲得することを可能にするため、平衡感覚に関係する能力障害状態を有する対象が正常な身体機能に近づくことを可能にするため、対象が外科的デバイスまたはその他の医学的デバイスを用いてカテーテル末端周囲の環境を感じられるようにするため、運動技能の強化をもたらすため、ならびに身体的および精神的な健康および安寧感を強化するために用いうることが示された。いくつかの態様において、本発明は、激しい瞑想訓練、集中および時間的献身の必要性を伴わずに、瞑想およびストレス緩和の利益をシミュレートするための方法を提供する。

本発明は、以下のものを非制限的に含む多岐にわたる用途のための、感覚代行、感覚強化、運動強化ならびに全般的な身体的および精神的な強化を可能にする広範囲にわたるシステムおよび方法を提供する：知覚の消失または障害を伴う疾患、病状および状態の治療；感覚プロセスの研究；感覚性の疾患、病状および状態の診断；感覚強化型の娯楽（例えば、テレビ、音楽、映画、テレビゲーム）の提供；新たな感覚（例えば、化学物質、放射線などを知覚する感覚）の提供；新たなコミュニケーション法の提供；デバイスの遠隔的な感覚的制御の提供；ナビゲーションツールの提供；運動競技上、仕事上または全般的な遂行能力の強化；ならびに身体的および精神的な安寧の強化。

本明細書に記載した利益は、対象に対する情報の伝達を、このような情報を通常は伴わない感覚経路を介して行うことによって得られる。例えば、平衡感覚の改善に関しては、物理センサーを用いて、重力ベクトルを基準にした対象の頭部または身体の物理的位置を検出することができる。この情報はプロセッサに送られ、続いてそれが情報をコード化して変換器アレイ（例えば、刺激装置アレイ）に伝達する。変換器アレイは、感覚刺激（すなわち情報）―例えば、対象の舌に対する電気的刺激―を与える様式で、対象の身体と接触させられる。変換器アレイは、頭部または身体の知覚の違いが対象に対する異なる刺激を誘発するように構成される。対象がこれらのパターンを頭部、身体部分または体位と関連づけることが可能とする訓練運動を用いることにより、対象は、地面を基準とする重力に対する身体部分の向きを、それが舌を経由して脳に伝達されるのに伴って、意識して考えることなく知覚するように学習するようになる。本発明の開発に際して行われた実験により、対象が、新たな感覚の追加がなければ不可能であった、正常に歩行する能力および他の平衡機能（例えば、自転車に乗ること）を遂行する能力を獲得したことが示された。驚いたことに、脳が平衡感覚に関して効果的に再プログラムされるようになり、対象はデバイスを取り除いた後にも利益を維持しうることが明らかになった。長期試験では、真のリハビリテーションが観察され、利益（例えば、平衡感覚の改善）はデバイスの使用および訓練の停止から数週間後にも維持された。したがって、本発明のシステムは、感覚の強化および代行のための手段を提供するだけでなく、デバイスの非存在下でさえも脳をより高いレベルで機能させるように訓練するための手段も提供する。

本発明の開発に際して行われた実験により、脳が新たな感覚情報を、他の感覚との統合、新たな感覚情報に対して本能的に反応する能力、および電極アレイから実際に受容する複雑度のレベルを超えて情報を外挿する能力を含む、複雑な様式で統合および外挿しうることも示された。例えば、本発明の開発に際して行われた実験により、盲目の対象が転がっているボールを捕まえうることが示されたが、これはボールを見るだけでなく、視覚的手がかりによって腕の動きを自然な様式で協調させることも必要とする作業である。

驚いたことに、本発明のシステムおよび方法は、これらの方法によって与えられる具体的な情報とは直接的には結び付きのない脳機能の強化を提供する。対象は、対象が体位を維持している間の体位および空間内の向きに関する情報が電気触覚刺激を介して対象の舌に伝達されるという治療を受けた。対象には訓練中に声を出すよう試みることを求めた。訓練の後に、対象は声に出して発語する能力を再び獲得した。このように、重力面に対する体位に対応する電気触覚情報を、発語に関連した脳活動の活性化と組み合わせて用いて、咽頭の筋肉制御に関する脳機能（運動制御機能）が高められた。この例は、本発明のシステムおよび方法が、特定の脳活動の活性化に関連した電気触覚刺激を用いることにより、全般的な脳機能の強化に有用であることを示している。機序の理解は本発明を実施するために必要ではなく、本発明はいかなる特定の作用機序にも限定されないが、触覚刺激（例えば、舌の電気触覚刺激）の使用は、特定の作業と関連した全般的機能（例えば、運動制御、視覚、聴覚、平衡感覚、触覚感覚）を改善するように脳を条件付けることが想定される。機序の理解は本発明を実施するために必要ではなく、本発明はいかなる特定の作用機序にも限定されないが、本発明のシステムおよび方法は、脳機能の強化をもたらすために長期増強（高頻度刺激後に長時間持続するシナプス効果の増加）を提供またはシミュレートすることが想定される。本発明の開発に際して行われた実験で、長期的触覚刺激を加えた場合に認められた訓練の残存性およびリハビリテーション効果は長期増強試験と合致する。したがって、本発明は、長期間（例えば、数時間、数日など）に及ぶ生理的学習のためのシステムおよび方法を提供する。

さらに、本発明の触覚刺激（例えば、舌の電気触覚刺激）は、深部脳刺激法によって得られるものと同様の利益をもたらすほか、深部脳刺激が用いられ、その使用が想定される用途において有用である。慢性的深部脳刺激は、現在米国のFDAにより承認されているものとしては、視床の中間腹側核に植え込まれた多電極導線からなる、振戦に対する患者自己調節型の治療法がある。上胸部の皮下に外科的に植え込まれたパルス発生器に導線が接続される。電極の導線からの延長ワイヤーが皮下の頭皮領域から胸部へと通され、そこでそれがパルス発生器と接続される。着用者は、パルス発生器の上に手持ち式の磁石を通過させて、それをオンおよびオフにする。パルス発生器は高周波のパルス電流を生成し、それは電極に沿って視床へと送られる。視床における電気的刺激は振戦を遮断する。パルス発生器はバッテリーの交換のために取り替えなければならない。DBS手術に伴うリスクには、頭蓋内出血、感染および機能喪失が含まれる。本発明の非侵襲的なシステムおよび方法は、現行および今後の深部脳刺激の用途の範囲にわたり（例えば、パーキンソン病患者の振戦、ジストニア、本態性振戦、慢性的神経関連痛、脳卒中または他の外傷後の力の改善、発作性疾患、多発性硬化症、麻痺、強迫性障害およびうつ病の治療）、侵襲的な深部脳刺激に代わる選択肢を提供する。機序の理解は本発明を実施するためには必要でなく、本発明はいかなる特定の作用機序にも限定されないが、本発明のシステムおよび方法は、深部脳刺激によって活性化される脳幹および中脳の部分を活性化することが想定される。

本発明はさらに、脳が、遂行する能力を失った損傷組織を利用して、作業を遂行させる能力、または従来は全く遂行されなかったこの種の能力を獲得させる能力を強化するためのシステムおよび方法も提供する。本発明の開発に際して行われた実験により、損傷組織は、本発明のシステムおよび方法を用いて訓練すると、より高度の機能を再び獲得する残存能力が強化されることが示された。したがって、いくつかの態様において、本発明のシステムおよび方法は、脳の再訓練によって損傷組織から機能を再生させるために用いられる。

また、本発明のシステムおよび方法を、さらなる強化または代行を得るために、他のデバイス、補助具、または感覚強化の方法とともに用いることもできる。例えば、蝸牛インプラント、聴覚補助具などを用いた対象が、改善された機能を生じるように、本発明のシステムおよび方法をさらに用いてもよい。

したがって、本発明は、疾患および病状を治療するため、ならびに強化された身体的および精神的な健康および遂行能力を提供するための、多様なデバイス、ソフトウエア、システム、方法およびアプリケーションを提供する。

いくつかの態様において、本発明は、前庭機能に関係するデバイス、ソフトウエア、システム、方法およびアプリケーションを提供する。例えば、本発明は、前庭機能に関係する対象の身体的または精神的な遂行能力を改変するための方法であって、前記の前庭機能に関係する身体的または精神的な遂行能力が改変される（例えば、強化されるまたは低下する）ように、対象を触覚刺激に曝露させる段階を含む方法を提供する。

本発明は前庭機能の性質によっては制限されない。いくつかの態様において、前庭機能は平衡感覚を含む。平衡感覚には、重力面、別の身体部分または環境物体（例えば、重力が少ないか皆無である環境、水中、その他）を基準とした身体の向きの知覚といった、すべてのタイプの平衡感覚が含まれる。

本発明はまた、対象の性質によっても制限されない。対象は健康であってもよく、または直接的もしくは間接的に前庭機能が関係する疾患もしくは病状に罹患していてもよい。健康な対象に関しては、本発明のシステムおよび方法は、前庭機能（例えば、平衡感覚）を、正常を超えるように強化するのに有用である。運動選手、軍人をはじめとする者は、このような超安定性（super-stability）による利益を受けることができる。

いくつかの態様において、対象は疾患または病状を有する。いくつかの態様において、疾患または病状は、感覚-運動協調性の機能不全を伴う。いくつかの態様において、疾患または病状は、末梢神経系機能不全および中枢神経系機能不全の両方を含む、前庭機能障害を伴う。さまざまな疾患および病状を有する対象は、本発明のシステムおよび方法による利益を受け、これには、片側または両側前庭機能不全、てんかん、失読症、メニエール病、片頭痛、デバルクマン症候群（Mal de Debarquement syndrome）、動揺視、自閉症、外傷性脳損傷、パーキンソン病および耳鳴を有するか、またはそれらに対する素因を有する対象が含まれる。本発明は、外傷性脳損傷（例えば、脳卒中による）に冒された対象または薬物療法を受けている対象を非制限的に含む、疾患、病状または医学的介入からの回復期にある対象に有用である。本発明のシステムおよび方法は、平衡障害（loss of balance）を有するか、または平衡障害（例えば、加齢、疾患、環境条件などに起因するもの）のリスクを有する、任意の対象に有用である。

いくつかの好ましい態様において、触覚刺激（例えば、舌を介した電気触覚刺激）は対象に情報を伝え、その情報は重力面に対する対象の身体の向きに関する。

本発明の開発に際して行われた実験により、前庭機能の改善は触覚刺激に対する曝露の後、ある期間にわたって持続することが示された。改善は、触覚刺激に対する曝露から1時間、6時間、24時間、1週間、1カ月および6か月間にわたって認められた。。

本発明はまた、前庭機能に関係する対象の身体的または精神的な遂行能力を改変するためのシステムも提供する。本システムは、本明細書に記載した方法において有用である。いくつかの好ましい態様において、本システムは以下のものを含む：a）環境基準点を基準とした体位または身体の向きに関する情報を収集するセンサー；b）触覚情報を対象に伝達するように構成された刺激装置；ならびにc）i）センサーから情報を受け取ること；ii）情報を触覚情報に変換すること；およびiii）体位または身体の向きを対象に伝える形態で刺激装置に触覚情報を伝達すること、を行うように構成されたプロセッサ。いくつかの好ましい態様において、センサーは角運動または線運動のセンサーである（例えば、加速時計またはジャイロスコープ）。

本発明は、用いる刺激装置の性質によっては制限されない。いくつかの好ましい態様において、刺激装置は、舌に対する触覚刺激を行えるよう、対象の口腔内に収まるように構成されたマウント上に与えられる。いくつかの好ましい態様において、プロセッサと刺激装置との間の通信は無線方法による。特に好ましい態様において、プロセッサは、対象がプロセッサを身体の表面または内部へと容易に移せるように携帯型筐体の内部に与えられる。

本発明はさらに、前庭機能を改善するために、対象が触覚情報を知覚される環境情報またはその他の情報と関連づけるように訓練するためのシステムも提供する。いくつかの好ましい態様において、本システムは以下のものを含む：a）触覚情報を対象に伝達するように構成された刺激装置、ならびにb）i）対象の体位または身体の向きと相関する知覚可能な事象を生成する訓練プログラムを実行させること、およびii）体位または身体の向きを知覚可能な事象（例えば、ディスプレイスクリーニングにビデオ映像として映像化されたもの）と関連づける形態で刺激装置に触覚情報を伝達すること、を行うように構成されたプロセッサ。

本発明はさらに、前庭機能不全を診断するための方法を提供する。いくつかの好ましい態様において、本方法は、触覚刺激に応じた、前庭機能と関連性のある対象の技能を測定する段階を含む。いくつかの態様においては、機能の向上または低下を明らかにするために、測定された技能を所定の正常技能値と比較する。所定の正常技能値は、集団平均およびその対象からの以前の測定値を非制限的に含む、任意の源から入手しうる。いくつかの好ましい態様において、技能には平衡感覚が含まれる。本方法は、治療または処置の際に前庭障害を検出するのに特に有用であり、検出された場合には、長期的障害が軽減または消失するように治療レジメンを変更することもできる。例えば、両側性前庭機能不全を引き起こす恐れのある薬剤（例えば、ゲンタマイシンなどの抗生物質）による治療を受ける対象における両側性前庭機能不全を回避することができる。

本発明の開発に際して行われた実験により、本発明のシステムおよび方法を用いることで、瞑想および／またはストレス緩和に伴う身体的または情緒的な利益が対象に与えられることが示された。したがって、本発明は、そのような利益が得られる条件下で、対象を触覚刺激（例えば、舌を介した電気触覚刺激）に接触させる段階を含む。いくつかの態様において、対象には、10分間またはそれ以上（例えば、20分間など）にわたる触覚刺激が与えられる。いくつかの態様において、対象は、触覚刺激を受けている間、制御された体位を維持する（例えば、直立して背中を伸ばす；立位）。得ることのできる身体的および情緒的な利益の例は本明細書に記載されており、これには運動協調性の改善、睡眠の改善、視覚の改善、認知技能の改善および精神衛生の改善（例えば、安寧感の向上）が非制限的に含まれる。

いくつかの態様においては、運動制御障害を伴う疾患または病状を有する対象が本発明のシステムおよび方法によって治療される。例えば、本発明の開発に際して行われた実験により、攣縮性発声障害を有する対象における発話能力の改善が示された。

発明の詳細な説明
本発明は、知覚、運動制御、精神的および身体的な作業の遂行能力ならびに健康および安寧を置き換える、補強するまたは強化するための新たな形態の感覚入力を提供することによって、感覚情報を管理するためのシステムおよび方法を提供する。本発明のシステムおよび方法は、感覚入力をデバイスから対象に与えることによってこれらの結果を実現する。感覚入力は、入力の性質を通じて、または対象の訓練を通じて、入力を受け取る対象が情報および意図した利益を受けるような様式で与えられる。したがって、本発明は、感覚情報の伝達（例えば、皮膚を介して）のための機械-脳インターフェイスを提供する。皮膚表面に対して物理的刺激を単に与える方法とは異なり、本発明のシステムおよび方法は、情報が脳へと伝えられて脳機能に影響を及ぼすように、シグナルに構造を与える。

本発明は、例えば舌の電気触覚刺激により、意味のある情報を脳に提示するユニークな手法を提供する。しかし、本発明は舌の電気触覚刺激には限定されない。非常にさまざまな感覚入力方法を本発明のさまざまな方法に用いることができる。いくつかの態様において、本発明によって与えられる感覚入力は触覚入力であり、いくつかの態様において、触覚入力は振動触覚入力である。特に好ましい態様において、触覚入力は電気触覚入力である。いくつかの態様において、感覚入力は聴覚入力、視覚入力、熱またはその他の感覚入力である。本発明は感覚入力の位置に関して限定されない。聴覚入力の場合、入力は対象の耳に対する外部音源からのものでもよい。代替的な態様において、入力は植込み音源からのものでもよい。さらに他の聴覚入力において、音源は歯などの頭部の骨部分との非植込み的な接触によって入力を与えてもよい。触覚入力のためには、身体の任意の外部または内部表面を用いることができ、これには指、手先、腕、足先、足、背部、腹部、生殖器、胸部、頸部および顔面（例えば、前頭部）が非制限的に含まれる。特に好ましい態様において、表面は口腔に位置する（例えば、舌、歯肉、口蓋（palette）、唇など）。いくつかの態様において、入力源は植え込まれている（例えば、皮膚または骨の内部に）。また別の態様において、入力源は植え込まれていない。

本発明は、感覚入力を与えるために用いられるデバイスの性質によっては制限されない。舌に対する電気触覚入力のために有用なデバイスは、米国特許第6,430,450号に記載されており、これはその全体が参照として本明細書に組み入れられる。本発明の態様の多くは、舌に対する電気触覚入力の考察を通じて以下に例示される。この入力様式は多くの用途にとって好ましい態様であるが、本発明は舌に対する入力、電気触覚入力および触覚入力のいずれにも限定されないことが理解される必要がある。

このように、このシステムは、表面電極のアレイを通じての電気刺激により、質的および量的な情報を舌の上部表面に描写するように設計されたコンピュータ利用環境である。電極は、必要な情報がさまざまなレベルの複雑度のパターンまたは画像としてリアルタイムに描写される「電気触覚スクリーン」とみなすことのできるものを形成する。舌の表面（通常は前方3分の1、これはそこが最も感度の高い領域であることが実験的に示されているためである）は、遍在性に分布し空間配置的に組織化された感覚表面であり、そこでは機械受容器および遊離神経終末（例えば、味蕾、熱感受性受容器など）の天然のアレイが、舌ディスプレイまたは「スクリーン」上に空間的／時間的にコード化された情報を検出して伝達し、この情報をコード化した上で、それを「触覚的イメージ」として脳に転送する。ごくわずかな訓練により、脳はこの情報をデコードし（空間的、時間的、強度上および質的な特性に関して）、それを利用して当面の問題を解決することができる。これは、シグナル検出および認識に関する多くの課題を解決することを必要とする。

本発明のシステムを用いることで、盲人は障害物を避けながら進むことができ、BVD患者は歩行することができ、テレビゲームをする人または戦闘機のパイロットは視野の外にある物体を知覚することができ、医師は遠隔手術を行うことができ、ダイバーは水中での方向を感知することができ、爆弾処理班の構成員は爆発性化学物質を感知することができ、これらはすべて、熟練者がバイクに乗ること、楽譜を見て楽器を演奏すること、または車を運転するのと同じように自然に行われる。

いくつかの態様において、本発明のシステムおよび方法は、感覚代行のためのさまざまな用途に有用である。このような態様において、知覚は、欠如性もしくは欠陥性の感覚を代償するため、または新規な感覚を与えるために対象に与えられる。

このようないくつかの態様において、感覚代行は、対象に改善された平衡感覚を与えるか、または平衡感覚に関連した病状を治療する。このような態様において、対象は触覚入力またはその他の感覚入力を体位または身体の向きと関連づけるように訓練される。脳は、この追加された感覚入力を用いて欠陥を代償することを学習する。例えば、本システムおよび方法は、両側性前庭機能不全（BVD）（例えば、聴器毒性、外傷、癌などに起因するもの）を治療するために用いることができる。以下の実施例1は、本発明のシステムおよび方法を用いて多数のBVD患者の治療に成功したことを記載している。実施例2〜7は、臨床的リハビリテーションの最中またはその後に対象の1例または複数例に与えられたそのほかの利益を記載している。これらの結果に基づけば、本発明は、メニエール病、片頭痛、乗り物酔い、MDD症候群、失読症および動揺視を非制限的に含む、前庭系に関係するその他の疾患および病状の治療にも有用である。また、本システムおよび方法は、睡眠回復の改善、微細運動の回復、心理学的回復、生活の質の改善および情緒的安寧の改善といった、ほとんど関係のみられない利益ももたらす。

平衡感覚に関連した感覚代行の方法は、広範囲にわたる対象および用途に適用しうる。例えば、本方法は、転倒予防および全身的強化の両方に関して、加齢に関連した平衡障害を改善または解消するのに有用である。本方法はまた、損傷後の平衡感覚の回復（例えば、脳卒中回復過程における）にも有用である。本方法はさらに、パーキンソン病およびてんかんといった病状に伴う症状を軽減するための、感覚運動協調性の改善にも有用である。

本システムおよび方法はまた、平衡感覚および平衡感覚に関連した病状、感覚統合ならびに感覚運動統合に関連した中枢性機構の研究を非制限的に含む、平衡感覚および平衡感覚に関連した病状を研究するための研究用途にも用いることができる。

健康な個体が、このようなシステムおよび方法を、平衡感覚を強化または改変するために用いることもできる。このような用途には、運動選手、軍人、パイロット、テレビゲームをする人などによる使用が含まれる。

本発明の前庭の使用法は、単独で用いてもよく、または他の感覚代行および強化用のアプリケーションとともに用いてもよい。例えば、盲目の対象が、視覚のほかに前庭機能も改善するシステムおよび方法を用いてもよい。同様に、テレビゲームをする人が、例えば、平衡感覚、視覚、聴覚および触覚の情報を含む、非常にさまざまな感覚情報を要望することも考えられる。

いくつかの態様において、感覚代行は改善された視覚を対象に与える、または視覚に関連した病状を治療する。このような態様において、対象は、触覚またはその他の感覚入力を、例えば、カメラまたはその他の映像情報源によって与えられる映像情報またはその他の視覚情報と関連づけるように訓練される。いくつかの態様においては、盲目の対象が、物体、形、動き、光などを思い浮かべるように訓練する。このようなアプリケーションは、部分的な視覚低下を有する対象に対しては特に利益があり、視覚の強化およびリハビリテーションの双方のための方法を提供する。盲目の対象の訓練は任意の時点で行いうる。しかし、好ましい態様において、訓練は、脳が複雑な映像情報を処理し、加齢に伴って生じるより高度な認知機能の情報を協調および統合する能力を最大限に高めるために、新生児または幼児に行われる。本発明はまた、視覚を失いつつある対象に対する視覚強化にも有用である（例えば、黄斑変性を有する対象）。

感覚代行および感覚強化用のアプリケーションに加えて、本発明は、運動強化のアプリケーションも提供する。

本発明の開発に際して行われた実験により、本発明のシステムおよび方法を用いた訓練を受けている対象における運動技能の改善が明らかになった（例えば、実施例2参照）。対象はより滑らかな身体運動、より滑らかで自信に満ち、軽く、リラックスした速い反射運動、微細な運動技能、持久力および活力の改善、さらには精神衛生の改善を報告した。特に好ましい態様において、訓練を受ける対象（例えば、実施例1参照）は座位または立位にある。訓練は、体位訓練手順に集中している間、体位を維持することを含む。機序の理解は本発明の実施に必要ではなく、本発明はいかなる特定の作用機序にも限定されない。しかし、このような訓練は、瞑想およびストレス管理の演習によって得られる利益を与えると想定される。しかしながら、利益を得るためにかなりの訓練および時間的献身を要する瞑想とは異なり、本発明の方法では、最小限の訓練および時間的献身によって同じ利益が得られる。わずかな訓練および短期間の曝露により、対象は身体的および精神的な健康状態に関して広範囲にわたる改善を得る。したがって、このような方法は、運動選手、パイロット、武道家、射撃の名手、外科医および一般大衆が運動技能および姿勢制御を改善するのに有用である。本方法は、宇宙飛行士に対する飛行リハビリテーション後または飛行能力強化の際のように、対象が正常な身体能力を再び獲得しようとする態様において特に有用である。このような用途を、感覚の強化および／または代行と組み合わせることもできる。例えば、射撃の名手は、運動制御および焦点合わせの強化を得るためにシステムを用いることに加えて、照準に関する情報を伝達するため、および／または射撃者が心拍数（引き金を心拍動の間に引くために）もしくは精度を高める環境条件を感知することを可能にするためのシステムを用いることもできる。

本方法はまた、身体的および情緒的な健康状態の全般的な強化にも有用である。実施例2〜7は、対象によって達成される広範囲にわたる利益を記載している。これらの利益には、リラクセーション、疼痛緩和、睡眠改善などが非制限的に含まれる。したがって、本方法は、瞑想の利益が示されているあらゆる領域で有用である（例えば、閉経後の回復）。

いくつかの態様において、本発明のシステムおよび方法は、利益の強化を得るために他の治療法と組み合わせて用いられる。このような使用法は、例えば、副作用および毒性を軽減するために補完的な治療法の薬物用量を減らすことを可能にする。

いくつかの態様において、本システムは、システムの発現もしくは軽減を予測もしくはモニターするため、または遂行能力（例えば、運動選手による）を他の様式でモニターするために、診断的に用いられる。例えば、本システムは、訓練演習における上達について調べるため、ならびに望ましくない身体的状態の発現を予測する目的で結果を「正常な」結果および「正常でない」結果のデータベースと比較するために用いることができる。例えば、ゲンタマイシンを服用している対象を、薬剤の望ましくない副作用を予防または軽減する目的で医師が治療を中止または変更しうるように、前庭機能の喪失に関してモニターする。このような態様において、体位の関数としての頭部変位をモニターし、正常ベースラインと比較すること、または特定の対象における経時的な変動について調べることができる。姿勢および平衡感覚は加齢とともに悪化するため、本システムを対象の生物学的年齢のバイオマーカーとして用いることもできる。診断方法を、対象に対する初期スクリーニング法として用いることもでき、または何らかの治療手順の最中もしくは後の状態をモニターするために用いることもできる。

感覚入力デバイス
広範囲にわたる感覚入力デバイスが本発明には用いられる。いくつかの好ましい態様において、デバイスは、対象の表面（例えば、皮膚表面、舌、内部表面）と通信する（例えば、物理的、電子的に）1つまたは複数の触覚刺激装置を提供する。刺激装置の数、サイズ、密度および位置（例えば、所在および配置）は、あらゆる特定の用途のために所望の情報を対象に伝達しうるように選択される。例えば、デバイスを単純な警報装置として用いる場合には、単一の刺激装置で十分であると思われる。視覚情報が与えられる態様においては、より多くの刺激装置が求められると思われる。方向のみが知覚される必要のある態様においては、180度、360度の向きを示す限定的な環状の刺激装置を用いることができる（または、交差を示すために組み合わせて用いられる、N、W、E、Sの向きに対する4つの刺激装置）。いくつかの態様では、刺激装置を配置し、触覚ファイ現象（すなわち、2つの静止物体の急な出現および消失が単一の物体の往復として知覚される錯視）が生じるようにシグナルの時間を合わせる。配置およびタイミングが適正であれば、「錯覚」または見かけ上の運動を1つまたは複数の方向に実現させることができる。このような方法を用いることで、限定された数の刺激装置を用いて伝えられる情報の量が増す。限定された刺激装置のセットによる情報の複雑度の増大を、シグナル（強度、ピッチ、空間属性、深度）の勾配を変化させて、触覚「色調」または感覚のパレットを作り出すことによって実現することもできる（例えば、対麻痺患者に、1つの勾配レベルを「膀胱が充満」と知覚させ、同じ1つまたは複数の刺激装置による別の勾配レベルを「物体が皮膚に接触している」知覚として知覚させる）。

センサーおよびデバイスの性質は用途によって指定される。その例には、前庭情報を宇宙飛行士または高難度の飛行を行うパイロットに与えるための微小重力センサー、ならびに、心臓内に挿入されるよう操作されるカニューレをそれがあたかも外科医自身の手であると「感じられる」ように、接触、圧力、剪断力および温度の情報を外科医に与えるMEMS技術センサーを含む、ロボット工学を利用した侵襲性の極めて低い手術デバイス、が含まれる。

本発明の特に好ましい態様は、情報を舌に伝達するように構成された電気触覚入力デバイスを用いる（例えば、舌の電気触覚刺激のためのデバイスを提供している米国特許第6,430,450号を参照のこと。これはその全体が参照として本明細書に組み入れられる）。本発明は、このようなデバイスを利用するが、それらには限定されない。いくつかの態様においては、1つの刺激装置または刺激装置のアレイを提供するマウスピースが用いられる。また別の態様において、刺激装置は皮膚または口腔内に植え込まれる。そのほかのデバイスは以下の実施例の項に記載されている。

本発明の好ましいデバイスは、使いやすさが最大限に高まるように、無線通信を介して情報を受け取る。

以下の態様は例として提供されるものであり、本発明をこれらの特定の構成に限定することを意図したものではない。さまざまな他のアプリケーションおよび構成が当業者には理解されると考えられる。

好ましい態様において、舌ディスプレイユニット（TDU）は、ゼロdc電流による皮膚刺激の恐れが最小限に留まることが保証されるように各電極と直列につなげられた出力結合コンデンサを有する。出力抵抗はおよそ1kΩである。このデザインは、活動していない、または「イメージ上」にないすべての電極が、アレイにとって電気的アースとしての役割を果たし、刺激電流に対する戻り路を与えるようなスイッチング回路も用いている。

好ましい態様において、電気触覚刺激は、口から出たフラットケーブルまたは無線通信技術によって刺激装置と接続されている、口腔内に配置された可撓性の電極アレイを介して舌背に送られる。電気触覚刺激は、パターン内の活動電極のそれぞれに対して逐次的に送られる40μsのパルスを含む。各3回のパルスによる群発波が、50Hzの頻度で、群発波内でのパルス頻度200Hzとして送られる。この構造により、強く、不快でない電気触覚の知覚が得られる。正のパルスが用いられるが、その理由は指先および舌に対する閾値がより低く、刺激の質がより高いからである。

いくつかの態様において、電極は、皮膚と接触する平坦な円板状表面を含む。または別の態様は、凹状もしくは凸状の表面または尖形表面といった異なる形状を用いる。

本発明の開発に際して行われた実験により、感覚の閾値、および舌の上の位置の関数としての有用な感度の範囲が、著しく不均等であることが明らかになった。特に、舌の前方および内側の部分は感覚の閾値が低く、一方、刺激野の後方および外側の領域は32％も高い。これらの差は触覚刺激装置の密度および分布の違いに起因する可能性が高い。これに伴い、電気触覚刺激に対する感度の有用範囲は、位置の機能として、さらには閾値に類似したパターンで変化する。

感覚の不均等性を代償するために、本システムは、使用者が舌の上での平均刺激レベルおよび有効強度の範囲（振動子の位置の関数として）の両方を個別に調整しうるような動的アルゴリズムを利用している。これらのアルゴリズムは、得られた実験データの線形回帰モデルを基にしている。試験による結果は、これがパターン知覚の遂行能力を有意に改善したことを示している。

システムの感覚入力成分は、以下を行うように構成されたプロセッサの一部分であるか、またはそれと通信下にある：1）プログラムまたは検出器（例えば、加速時計、ビデオカメラ、聴覚源、触覚センサー、テレビゲームのコンソール、GPSデバイス、ロット、コンピュータ、その他）から情報を受け取る；2）受け取った情報を、感覚入力成分へと伝達されるパターンに変換する；3）情報を感覚入力成分に伝達する；4）保存し、訓練演習プログラムを実行する；5）感覚入力成分または対象の他のモニターから情報を受け取る；6）送られて受け取った情報を保存し記録する；および／または7）情報を外部デバイス（例えば、ロボットアーム）に送る。

本発明の電極アレイは、任意の種類のデバイス上に、所望の任意の形状および形態で用意することができる。いくつかの態様において、電極アレイは、対象が別に所有しうる物体（例えば、衣類、腕時計、歯牙用保持器、アームバンド、電話、PDA、その他）の部分として含められる。新生児の場合には（例えば、盲目の乳児を訓練するため）、電極アレイを、食事ボトルの吸い口またはおしゃぶりに含めてもよい。いくつかの態様において、電極アレイは、皮膚の下に植え込まれる（アレイ式タトゥー）。好ましい態様において、アレイを含むデバイスは、外部情報を提供するプロセッサと無線通信下にある。いくつかの好ましい態様において、アレイは、対象の任意の外側（粘膜表面を含む）または内側の部分に配置しうる小型のパッチまたは膜の上に与えられる。

また、デバイスを、シグナルを出力するために、例えば、舌を外部システムもしくはデバイスの制御装置として、または通信を伝達するために用いることもできる。いくつかの態様において、舌は、位置、圧力、ボタンの接触またはセンサーを介して（例えば、歯の内側に位置する）、例えば、車椅子、義肢、ロボットデバイス、医用デバイス、乗り物、外部センサーまたは任意の他の所望の物体もしくはシステムを動作させるための、出力シグナルを与える。出力シグナルはケーブルを通じてプロセッサに送られてもよく、無線式であってもよい。

訓練のシステムおよび方法
本明細書に記載したアプリケーションの多くは、使用者が感覚入力情報の特定のパターンを外部の事象または物体と関連づけることを可能にする訓練プログラムを利用している。実施例の項には、本発明の種々の用途に有用なさまざまな訓練ルーチンが記載されている。本発明は、このような訓練を容易にするソフトウエアおよびハードウエアを提供する。いくつかの態様において、本ソフトウエアは訓練のシークエンスを開始するだけでなく（例えば、コンピュータモニター上に）、触覚感覚デバイスの構成要素に送られるシグナルの量および位置のモニタリングおよび制御も行う。いくつかの態様において、本ソフトウエアはまた、触覚感覚デバイスから受け取ったシグナルの管理も行う。いくつかの態様において、訓練プログラムは、訓練演習を完了するように小児の興味を高めるためにゲーム環境を提供することにより、小児に向けて適合化される。

実施例
以下の実施例は、本発明のいくつかの好ましい態様および局面を示すとともに、さらに例示するために提供されるものであり、その範囲を限定するものとはみなされるべきではない。

実施例1
姿勢制御のための前庭機能代行
前庭系は、半円形の導管および耳石器を含む内耳内の特化した末梢受容器を用いて頭部の加速度を感知することにより、頭部運動を検出する。前庭系は日常生活の事実上あらゆる局面で重要であり、これは頭部の加速度の情報が、身体筋肉および自律的臓器に対して絶えず作用する前庭反射を介してのみならず（Wilson and Jones, Mammalian Vestibular Physiology, 2002, New York, Plenum）、以下のようなさまざまな認知機能をも介した、三次元空間における適切な行動のために必須であるためである：自己運動の知覚（Buttner and Henn, Circularvection: psychophysics and single-unit recordings in the monkey, 374:274(1981)；Guedry et al., Aviat. Space Environ. Med., 50:205(1979)；Guedry et al., Aviat. Space Environ. Med., 52:304(1981)；Guedry et al., Brian Res. Bull., 47:475(1998)；Jell et al., Aviat. Space Environ. Med., 53:541(1982)；およびMergner et al., Patterns of vestibular and neck responses and their interaction: a comparison between cat cortical neuron and human psychophysics, 374:361(1981))、空間知覚および記憶（Berthoz et al., 空間的 memory of body linear displacement: what is being stored? 269:95(1995)；Berthoz, The role of inhibition in the hierarchical gating of executed and imagined movements, 3:101(1996)；Bloomberg et al., vestibular contingent voluntary saccades based on cognitive estimates of remembered vestibular information, 41:71(1988)；およびNakamura and Bronstein, The perception of head and neck angular displacement in normal and labyrinthine-defective subjects. A quantitative study using a 'remembered saccade' technique, 188:1157(1995))、視覚的な空間の恒常性（Anderson, Exp. Psychol. Hum. Percept. Perform., 15:363(1989)およびBishop, Stereopsis and fusion, 26:17(1974))、視覚的な物体運動の知覚（Mergner, Role of vestibular and neck inputs for the perception of object motion in space, 89:655(1992)およびMesland, Object motion perception during ego-motion: patients with a complete loss of vestibular function vs. normals, 40:459(1996))、さらには移動運動のナビゲーション（Wiener, 空間的 and behavioral correlates of striatal neuron in rats performing a self-initiated navigation task, 13:3802(1993))。前庭入力の機能には以下のものも含まれる：自己中心的な向きの感覚、座標系、内部基準中心、筋緊張制御および身体区域の直線配置化（Honrubia and Greenfield, novel psychophysical illusion resulting from interaction between horizonal vestibular and vertical pursuit stimulation, 19:513(1998))。

抗生物質療法に対する有害反応などによる両側性前庭機能喪失を有する人々は、姿勢の「ぐらつき（wobbling）」（座位および立位の両方）、不安定歩行および動揺視を含む機能的障害を経験し、これらは例えば、転倒のリスクを伴わずに暗所を歩くことを困難または不可能にする。両側性前庭機能喪失は、薬物毒性、髄膜炎、身体障害またはさまざまな他の特定の原因によって起こりうるが、原因不明の理由に起因するものが最も多い。これは姿勢制御、空間における運動に関してさまざまな問題を生じさせ、これには不安定歩行、および動揺視のような種々の平衡関連障害が含まれる（Baloh, Changes in the human vestibulo-occular reflex after loss of peripheral sensitivity 16:222(1991)）。不安定歩行は特に夜間に（または視力の低い人で）顕著である。この機能喪失は特に高齢者に対して能力低下をもたらす。

前庭眼反射の障害に起因する動揺視は、苦痛を伴う視覚的情景の錯覚性振動である（Brant, Man in motion. Historical and clinical aspects of vestibular function. A review. 114:2159(1991)）。動揺視は永続的な症状である。歩いている時、患者は、周囲が上がったり下がったりするため、物体を凝視することができない。通行人の顔を見るためには、彼らは止まって自分の頭を静止状態に保つようにする。ものを読む時には、このような患者は、血流の拍動に伴うわずかな動きを防ぐために、自らの手を顎の上に乗せるようにする。

機能を備えた前庭系が存在しなければ、正常な直立姿勢の多感覚統合プロセスに対する残存入力の役割が大きくなる。これらの状況下では、対象は、空間的な向きに関するさらなる手がかりを得るために指先を高度に利用する。

本発明のシステムおよび方法は、代替的で、しかも大幅に優れる手がかりを提供する。前庭感覚代行の利用により、BVDを有する対象における頭部および身体の協調に対して強い安定化効果が得られる。実験条件下で、BVD対象の頭部-姿勢行動において一貫して認められる3種類の特徴的かつユニークな運動特性（平均位置変動、ぐらつき、および周期的な大振幅の摂動）が同定された。しかし、前庭機能代行を用いたところ、これらの特性の規模は大きく低下するか消失した。実験の間、BVD対象は、システムの使用中および刺激の除去後しばらくの期間にわたって、正常で安定した感じ、または知覚上の「ノイズ」が軽減した感じを報告した。

本発明の開発に際して行われた実験については、平衡感覚系に対して考えられる最も重度の障害である両側性前庭機能喪失を有する対象を選択した。対象はすべて能力障害を有するか身体障害を有することが確認された。

デバイス：小型2軸加速時計（Analog Devices ADXL202）を、軽量プラスチック安全ヘルメットに対して装着した。前後方向および内側外側方向の角変位データ（加速度データの二重積分によって得られる）を、舌の前方表面の上方に保持された144ポイント電気触覚アレイ（直径1.5mmの金プレート電極が間隔2.3mmで配置された12×12マトリックス）に対するパターン化刺激を生成する舌ディスプレイユニット（TDU）に対して与えた（Tyler et al., J. Integr. Neurosci., 2:159(2003)）。

頭部運動の感知
加速時計は、標準的に水平面に向けて配置される。この位置では、これは通常、回転および平行移動の両方を感知する。しかし、作業の性質―動かずに背を直立させた座位―によっては、少なくとも第一近似では、x軸およびy軸の両方で記録された非ゼロ加速度データのすべて（それぞれM／LおよびA／P方向）を、平行移動ではなく頭部の角変位または傾斜に帰属させることができる。対象に被験位置を推測するように指導した後に、各試行の開始時にセンサーの初期位置を記録し、以後はそれをゼロ基準として用いる。小角近似を用い、センサー出力がゼロ位置からの角変位に比例すると仮定すると、瞬時角度は以下のように算出される：
Θ_ｘ＝sin^−１ a_ｘ/g（Eq. 1）
Θ_ｙ＝sin^−１ a_ｙ/g（Eq. 2）
式中、gは重力ベクトルであり、a_ｘおよびa_ｙはいずれもそれぞれの軸におけるベクトル成分である。

「標的」運動の制御
加速時計からの傾斜データは、視覚的および触覚的な刺激パターンまたはそれぞれのディスプレイ上に提示される「標的」の両方の位置を動かすために用いられる。データは30Hzでサンプリングされ、標的位置に対する瞬時のx値およびy値が、t_ｎおよびt_０での位置ベクトルの値の差として算出される：
x_ｎ=c sin（Θx|n−Θx|0）（Eq. 3）
y_ｎ=c sin（Θy|n−Θy|0）（Eq. 4）
式中、Θx|n、Θx|0、Θy|nおよびΘy|0は、それぞれxおよびyにおける瞬時的および初期の傾斜角である。標的運動の範囲を対象の頭部傾斜の期待値または観測値と合わせる目的で調整するためには線形的倍率「c」を用いる。最初に計算した最大範囲を対象が瞬間的に上回る事象において刺激がディスプレイから逸脱することに起因する定位障害を防止するために、標的の最大変位をディスプレイの物理的領域に対して帯域制限する。この利得は、予想される最大可動範囲に合致するように容易に調整することができる。舌ディスプレイに対する実際の刺激パターンは、重心領域が任意の瞬間においてx_ｎ、y_ｎに位置する4振動子（2×2）の平方アレイである。初期直立状態での較正の後に、対象は、適切な姿勢を維持する目的で、標的の中心がディスプレイの中央に保たれるように頭部を動かす。初期訓練に関しては、平方触覚アレイの外側縁の視覚的類似物をLCDモニター上に提示する。視覚標的の運動を生じさせるために用いられる、その結果得られた位置ベクトルには、イメージをより安定化するために、10Hzのローパスフィルター処理を行い、20サンプル移動ウィンドウ平均を用いて平滑化した。

対象は、舌ディスプレイ上での小さな「標的」刺激の位置および運動の両方を容易に知覚し、この情報を解釈して、標的刺激が中央に来るように正しい姿勢調整を行うことができた。

頭の上に乗せたヘルメットに配置された加速時計からのシグナルは、舌と接触した金プレート電極のアレイを介して位置情報を脳に伝える。加速時計からの連続記録により、頭部ベースの姿勢動揺図（HBS）が得られた。HBSはこのデータ記録解析システムの主要な構成要素である。

対象：両側性前庭機能不全（BVD）を有する個体10例に対して、電気触覚前庭機能代行システム（EVSS）を用いる試験および訓練を行った。参加者のうち5例は女性であり、5例は男性であった。女性群の平均年齢は51.4歳であり、男性群の平均年齢は64.4歳であった。

この両方の群の参加者のうち7例の機能不全は、アミノ配糖体抗生物質であるゲンタマイシンによる聴器毒性の結果であった。対象1例はデバルクマン症候群を有し、患者1例は外リンパ瘻を是正するための両側手術の結果としての前庭機能不全を有し、対象1例の両側性前庭機能喪失は原因不明の現象の結果であった。

試験および訓練の手順：試験の前の能力を決定するために、各対象に健康に関する質問票および作業能力に関する質問票を記載させ、それとともに必要なインフォームコンセント文書にも記載してもらった。試験の前に、各個人に対して、平衡感覚および視覚制御（動揺視）に関する能力を観察するために一連のベースライン試験を行った。これらのベースライン試験はビデオテープに記録した。

20分間の試行を行う前に、各個人に関して、予備的な平衡能力ベースライン値を入手するため、さらには彼らをシステムの感覚および使用法に関して訓練するために設計されたEVSSを用いて一連のデータ収集を行った。これらのデータ収集には、座位および立位、開眼および閉眼の両方に関する100秒、200秒および300秒の試行を含めた。

平衡能力ベースライン値の入手を終え、対象がEVSSおよびその動作様式について十分に理解したことを確認した後に、各個人に対する20分間の試行の実施、および／または軟らかい材料の上もしくは縦列的ロンベルグ姿勢で立たせる訓練を行った。すべての患者にとって、いずれの条件の実施も「想像を絶する」ものであった。実際、いずれの条件でも5〜10秒間を超えて姿勢を保つことができた者は皆無であった。

典型的な試験／訓練には、長さ1.5〜2時間の9回のセッションを含めた（患者の体力および試験の難しさに依存する）。患者が完了した最も短い試験は5回のセッションであり、最も長いものは65回のセッションであった。

結果：EVSSを用いた訓練手順の結果、10例の患者全例が平衡制御に関して有意な改善を示した。しかし、平衡感覚回復の速さおよび大きさは対象毎に異なった。さらに、EVSSを用いた訓練は、平衡感覚回復に関して、1つだけでなく、複数の異なる効果またはレベルで認められることが見いだされた。

EVSS訓練による平衡感覚回復効果は、少なくとも2つの群に分けることができる：即時的な平衡感覚効果および残存性（residual）の平衡感覚効果である。平衡感覚回復効果に加えて、直接的または間接的に前庭系と関係する多数の効果が観察された（実施例2〜7参照）。

即時的効果：即時的効果は座位および立位のBVD対象においてほぼ即時的に観察された（EVSSに習熟して5〜10分後）、これには長期間にわたり（1〜2回の実験セッションから最大40分後まで）、安定な直立姿勢および身体の直線配置化（眼を閉じて座位または立位で）を制御しうる能力が含まれた。

訓練効果：BVD患者の一部、特に何年もの代償および高度の身体的訓練を長期間行った後の患者は、硬い面の上では、たとえ眼を閉じても直立する能力を獲得していた。しかし、良好な代償が得られているBVD対象であっても、軟らかい面もしくは平坦でない面の上での、または縦列的ロンベルグ姿勢などにより限られた基盤の上に姿勢を保っての立位は困難であり、眼を閉じて行うことは全く想定外であった。

EVSSを用いたところ、BVD患者は、硬い面の上で平衡感覚および身体の直線配置化を制御する能力だけでなく、身体状態調節および平衡制御の限界を拡張する能力も獲得した。一例として、眼を閉じて縦列的ロンベルグ姿勢での立位をとることが可能であった。それぞれ100秒間の訓練試行18回からなる1回の訓練セッション（合計EVSS曝露時間は30分間）の後には、BVD患者は、眼を閉じて縦列的ロンベルグ姿勢による立位を100秒間とることができた。

残存性の平衡感覚効果：残存性の平衡感覚効果も、試験を行ったBVD患者の全例で観察された；しかし、効果の強さおよび程度は、前庭障害の重症度、対象の回復期間ならびにEVSS訓練の長さおよび強度に応じて対象毎に著しく異なった。

残存性の平衡感覚効果については、少なくとも3つの群が認められた：短期間の残存性効果（数分間持続する）、長期間の残存性効果（1〜12時間持続する）およびリハビリテーション効果（対象における数カ月の訓練の際に認められた）。残存性効果はすべて、対象の口腔からEVSSを完全に除去した後に観察された。

短期的な後続効果：この効果は通常、EVSS訓練の初期に観察された。対象は、異常なぐらつきを直ちに生じることなく、平衡感覚をある程度の期間にわたって保つことができた；これは通常、壁またはテーブルに触れることといった他のあらゆる種類の外部触覚安定化の後に起こるものと同様であった。さらに、短期間の後続効果の長さはEVSS曝露期間にほぼ直線的に依存した。100秒間のEVSS曝露の後には安定化が30〜35秒間持続し、200秒間のEVSS曝露の後には65〜70秒間、300秒間のEVSS試行の後には対象は平衡感覚を100秒間よりも長く維持することができた。短期間の後続効果はEVSS曝露時間の約30〜70％にわたって持続した。

長期的な後続効果：
この効果群は、座位または立位の対象における、より長い（例えば、最大20〜40分の）EVSS訓練のセッションの後に生じ、数時間にわたって持続した。平衡感覚改善の後続効果の持続時間は、観察された短期的な後続効果よりもはるかに長かった：予想された7分間の安定性（20分間の試行に対して30％則を外挿した場合）ではなく、1時間〜6時間にわたり安定性の改善が観察された。これらの期間中、BVD対象は、硬い面または軟らかい面の上に動かずに真っ直ぐ立つことができただけでなく、ビームの上を歩くこと、片足で立つこと、自転車に乗ること、および踊ることといったような、平衡感覚を試すさまざまな種類の活動を完全に行うことができた。しかしながら、数時間後全ての症状は元に戻った。

長期間の後続効果の強さは、この場合もEVSS曝露の期間に依存した：10分間の試行は20分間の試行よりもはるかに効率が低かったが、40分間の試行は20分間と同程度の効率であった。通常は20〜25分間が、眼を閉じた立位の試行に関して不快でなく十分な最も長い期間であった。座位での試行は立位での試行よりも効果が弱かった。

最も短期的な効果は初期訓練セッションの際に観察され、通常1〜2時間であった。単回のEVSS曝露後の最も長い効果は11〜12時間であった。20分間の単回EVSS曝露後の長期的後続効果の平均持続時間は4〜6時間であった。

リハビリテーション効果：20分間のEVSS曝露を単一の対象に対して1日に2回または3回繰り返すことが可能であった。2回目の曝露後には、効果は平均約6時間にわたって持続した。合計すると、20分間にわたるEVSS安定化試行を2回行った後に、BVD対象は、自らが「正常」と表現した感覚および行動を最大で1日の10〜14時間にわたって得ることができた。

BVD対象の1例を、20分間のEVSS試行を1日に1回または2回用いて20週間訓練した。この対象に関して収集されたデータにより、堅実な訓練期間における長期的後続効果の系統的な改善および段階的な増加が示された。さらに、反復的なEVSS訓練により、平衡制御の蓄積的な改善および前庭系の中枢性機構の全体的な回復の両方が生じることも見いだされた。

この同じBVD対象に関しては、2カ月にわたる激しい訓練の後に、EVSS曝露を完全に中止した。対象の平衡感覚および姿勢制御の定期的な検査は続けた。最後のEVSS訓練から14週間にわたって、対象は硬い面または軟らかい面の上に眼を閉じて立ったまま完全に静止状態を保つことができた。これにより、本方法のリハビリテーション能力が示された。効果は6カ月にわたって認められた。

効果の概要：対象は、平衡感覚の回復、身体制御の向上、安定性、および重心を保っている感覚を経験した。絶えず動いているという感じは消失した。対象は介助を受けずに歩くことができ、暗所で歩ける能力、活発に歩く能力、人混みの中を歩く能力、およびパターンが刻まれた面の上を歩く能力の向上を報告した。対象は、基盤が軟らかくてもそうでなくても眼を閉じて立つ能力、直線上を歩く能力、左右および上下に眼をやりながら歩く能力を獲得した。対象は、物を持ち運ぶ能力、平坦でない面を歩く能力、盛り土に上って下りる能力、および自転車に乗る能力を獲得した。対象は、新たな課題に取り組む意欲を持つようになり、全体的には、身体的にはるかに活動的になった。

以上は両側性前庭機能喪失を有する人々の文脈で考察してきたが、本発明は、多くの種類の前庭機能不全に対して、ならびにメニエール病、パーキンソン病の人々、糖尿病性末梢神経障害および加齢に伴う一般的な能力障害を有する人々に対しても有用である。本発明はまた、航空機パイロットまたは宇宙飛行士における空間的見当失認を避けるための航空学の分野における応用性もある。

実施例2
姿勢、自己受容感覚および運動制御の改善
本発明の開発に際して行われた実験により、対象の姿勢、自己受容感覚および運動制御の改善に関して予想外の利益が確認された。訓練は実施例1に記載したようにEVSSを用いて行った。対象の観察および質問票により、身体運動がより滑らかで確信的になり、軽く、リラックスして速くなったことが示された。こわばりは消失し、肢、頭部および身体の感覚は軽くなり、収縮の程度も軽減された。微細な運動技能が回復し、 歩行は正常に戻った。姿勢および身体区域の直線配置化は正常に回復した。体力および活力は増大した。日中および夜間に運転する能力の向上もみられた。

実施例3
視覚の改善
本発明の開発に際して行われた実験により、対象の視覚に関して予想外の利益が確認された。訓練は実施例1に記載したようにEVSSを用いて行った。対象の観察および質問票により、視覚がより安定化し、明瞭に明るくなった。色調も明るくかつ鋭敏になり、周辺視覚も広がった。読み取りも滑らかかつ容易になり、移動中の乗り物の中で読むことも可能になった。明条件から暗条件への変換に伴う適応度も大きく改善された。動揺視の軽減および深部知覚の改善もみられた。

実施例4
認知機能の改善
本発明の開発に際して行われた実験により、対象の認知機能に関して予想外の利益が確認された。訓練は実施例1に記載したようにEVSSを用いて行った。対象の観察および質問票により、精神的な覚醒度、創造性、思考の明瞭さ、自信、マルチタスク技能、記憶保持、集中力、会話に追随する能力および作業を続ける能力の向上が示された。対象はより意識清明となり、活力が増し、平衡を絶えず意識することがなくなった。頭部の「ノイズ」が軽減し、思考強度、問題解決および意志決定がはるかに改善した。

実施例5
情緒的な安寧の改善
本発明の開発に際して行われた実験により、対象の情緒的状態に関して予想外の利益が得られた。訓練は実施例1に記載したようにEVSSを用いて行った。対象の観察および質問票により、対象がより穏やかになり、覚醒度が増し、自信がつき、幸福で、落ち着き、リフレッシュされ、リラックスし、強い安寧感を得るとともに、恐怖が消失したことが示された。

実施例6
睡眠の改善
本発明の開発に際して行われた実験により、対象の睡眠に関して予想外の利益が確認された。訓練は実施例1に記載したようにEVSSを用いて行った。対象の観察および質問票により、患者の大半が睡眠改善を認めたことが示された。睡眠はより深く、より長く、より平穏になり、しばしば夜間に覚醒することがなくなった。

実施例7
身体的安寧感の改善
本発明の開発に際して行われた実験により、対象の身体的安寧感に関して予想外の利益が確かめられた。訓練は実施例1に記載したようにEVSSを用いて行った。対象の観察および質問票により、若さと活気にみなぎる感じが、眼に映るものの明るさ、ストレスの軽減、顔面筋の挙上およびリラクセーションに伴う「若い外見」とともに示された。対象の一部はカイロプラクティックへの受診の減少および活動性の増大を報告した。

実施例8
触覚マルチメディア
本発明は、強化されたマルチメディア体験のためのシステムおよび方法を提供する。いくつかの態様においては、既存のマルチメディア情報が本発明のシステムを介して伝達され、マルチメディアイベントの強化された、代替的な、または超感覚的な知覚が提供される。また別の態様において、マルチメディアアプリケーションは、強化された、代替的な、または超感覚的な知覚を作り出すことを意図した補足的な情報の層とともに提供される。

本発明の開発に際して行われた実験により、眼によって知覚されない視覚情報を本発明のシステムによって与えうることが示された。詳細には、舌を用いる電気触覚システムを通じて対象にコンピュータプログラムからの迷路情報を伝達することにより、視覚を欠く対象または眼を閉じた対象が、グラフィック迷路を辿ることができた。

本発明のシステムの1つの応用は、テレビゲームを楽しむために強化された知覚を提供することである。例えば、視野に存在しないビデオ物体の位置に関する情報を、使用者の舌に情報を伝えるように構成された刺激装置アレイを伝達することにより、ゲームをする人は「頭の後ろにある眼」を得ることができる。最小限の訓練により、使用者は自らの通常の視野の外側にある物体の存在および位置の両方を「見て」、それに反応することができるようになると考えられる。感覚情報は、従来のジョイスティックもしくはゲームコントローラを介した手への触覚刺激によって与えることもでき、または舌もしくはその他の所望の位置を通じて与えることもできる。超感覚を取り扱う能力をゲームプレイに組み込んでもよい。例えば、ゲームまたはゲームの部分を「目隠しの状態で」で行わせることもできる（例えば、眼を閉じて、聴覚および／または映像を遮断して、など）。このようなゲームは娯楽のために有用なだけでなく、訓練（例えば、飛行シミュレーション訓練、夜間視覚モード、水中で遂行される軍事訓練、など）にも有用である。ゲームプレイを向上させるために、平衡感覚、情緒的な快適さのレベル、身体的な快適さのレベルなどはいずれも変更することができる。

したがって、いくつかの態様において、本発明は、例えば電気触覚刺激（例えば、舌アレイ、グローブなどを介して）を通じて、情報を対象に伝達するための刺激装置アレイを含むハードウエア構成要素を含む、またはそれを収容するように構成された、ゲームモジュール（例えば、PlayStation、XBox、Nintendo、PC、その他）を提供する。いくつかの態様においては、本発明のシステムおよび方法とともに用いるのに適した情報をコードするソフトウエアである、このようなゲームモジュールと適合性のある、またはこのようなゲームモジュールによって与えられたシグナルを変換するように構成されたソフトウエアが提供される。いくつかの態様において、本ソフトウエアは、使用者が伝達された情報を意図する知覚と関連づけることを学ぶことを可能にする訓練演習を提供する訓練プログラムをコードしている。対象は1つまたは複数の演習の訓練を完了した後に実際のゲームプレイを進める。

いくつかの態様において、メディアの内容は、五感で感じられる（sensate）情報によって層状化されている。いくつかの非制限的な態様には以下のものが含まれる：
キスの感覚；火の熱さ；またはネコによる引っ掻きといった、あらゆる種類の感覚メッセージを有する五感的な映画：。
使用者が在宅でドレスまたはスーツの質感を感じられるようにする；外科医が遠隔ロボット手術を実施することを可能にする；および遠隔パートナーからの1つまたは複数の身体部分に対する性的フィードバックを提供する、五感的なインターネット。
五感的な電話、テレビゲーム、その他。

いくつかの態様において、本発明は、多数の身体部分に対する（例えば、身体全体を覆う）刺激装置を含むボディスーツ（例えば、全身用ボディスーツ）を提供する。刺激装置のサブセットは、プログラム、映画、双方向インターネットサイトなどから得られた情報に応じて活動状態となる。例えば、インターネットの性的アプリケーションにおいて、対象はプログラムから、または別の場所にいる個人から、刺激装置の群を活動状態にして触感、身体と身体の接触、その他の種類の接触、キスおよび性交をシミュレートするような情報を受け取る。視覚情報を、バイザー（ビデオ、スナップ写真の画像、バーチャル・リアリティー画像など）を通して、感覚代行経由または直接的に伝達することもできる。音声（例えば、声）は、感覚代行または従来の経路（例えば、電話線、ストリーミングメディアを介したリアルタイムのもの、その他）によって与えることができる。いくつかの態様において、ボディスーツは、性的接触に一般に携わる箇所により高密度に刺激装置を有する。スーツは全身をカバーしてもよく、または特に所望される部分をカバーしてもよい。いくつかの態様において、使用者は、所望のまたは望ましくない刺激のレベル、所望のまたは望ましくない活動などを指定するために、制御ソフトウエアにおける一連のパラメーターを設定する。いくつかの態様において、本システムは、例えば、特定のパートナーのみが参加しうるように、プライバシー上の機能およびセキュリティー上の機能を提供する。いくつかの態様においては、参加者が年齢、性別またはその他の基準に関して誠実かつ適法であることを保証するために登録サービスが提供される。

Claims (19)

1. a）環境基準点を基準とした、対象の体位または身体の向きに関する情報を収集するセンサー；b）触覚情報を該対象に伝達するように構成された刺激装置；ならびにc）i）該センサーから情報を受け取ること；ii）該情報を触覚情報に変換すること；およびiii）該体位または身体の向きを該対象に伝える形態で該刺激装置に該触覚情報を伝達すること、を行うように構成されたプロセッサ、を含むシステム。
2. センサーが角運動または線運動のセンサーを含む、請求項1記載のシステム。
3. センサーが加速時計またはジャイロスコープを含む、請求項2記載のシステム。
4. 環境基準点が重力面を含む、請求項1記載のシステム。
5. 刺激装置が電気触覚出力を与える、請求項1記載のシステム。
6. 刺激装置が刺激装置アレイの部分として与えられる、請求項1記載のシステム。
7. 刺激装置アレイが、刺激装置アレイ上の既知の位置に配置された3つまたはそれ以上の電極を含む、請求項6記載のシステム。
8. 刺激装置アレイが、対象の口腔内に収まるように構成されたマウント上に与えられる、請求項1記載のシステム。
9. 刺激装置アレイが、対象の舌の電気触覚刺激を与えるように構成される、請求項1記載のシステム。
10. プロセッサが情報を無線通信を介して受け取る、請求項1記載のシステム。
11. プロセッサが携帯型筐体内に与えられる、請求項1記載のシステム。
12. プロセッサが刺激装置アレイにケーブルによって取り付けられる、請求項1記載のシステム。
13. センサーがビデオカメラである、請求項1記載のシステム。
14. プロセッサがさらに、対象が触覚情報を体位または身体の向きと関連づけることを可能にする訓練ソフトウエアを実行するように構成されている、請求項1記載のシステム。
15. 平衡感覚（balance）に関係する対象の身体的または精神的な遂行能力（performance）を改変するような条件下で、舌の電気触覚刺激を含む触覚刺激を対象に与えるように構成される、請求項1記載のシステム。
16. a）触覚情報を対象に伝達するように構成された刺激装置、ならびにb）i）対象の体位または身体の向きと相関する知覚可能な事象を生成する訓練プログラムを実行すること、およびii）該体位または身体の向きを該知覚可能な事象と関連づける形態で該刺激装置に触覚情報を伝達すること、を行うように構成されたプロセッサ、を含むシステム。
17. 刺激装置が電気触覚刺激装置を含む、請求項16記載のシステム。
18. 知覚可能な事象がディスプレイスクリーン上のビデオ画像を含む、請求項16記載のシステム。
19. 刺激装置が対象の舌に対して電気触覚刺激を与えるように構成される刺激装置アレイを含む、請求項16記載のシステム。