概要
研究者らは、世界で初めて、1つのニューロンから1年以上にわたって
脳の活動に関する情報を収集する電子インプラントを開発しました
ソース
https://www.nature.com/articles/s41593-023-01267-x
電子インプラントの開発
人が楽しい気分や悲しい気分を味わうとき、どの脳細胞が活性化するのでしょうか？
この疑問に答えるためには、個々の脳細胞が脳活動の大きなネットワークにどのように寄与しているのか、また、各細胞が行動や健康全般の形成にどのような役割を担っているのかを理解する必要があります。これまで、生きた動物の脳細胞が長期間にわたってどのように行動しているかを明確に把握することは困難でした。
しかし、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学大学院（SEAS）のジア・リューのグループは、1年以上にわたって興味のある1つの細胞から脳の活動に関する詳細な情報を収集する電子インプラントを開発したのです。
この研究成果は、マウスを用いた研究に基づいており、『Nature Neuroscience』に掲載されています。
「SEASのバイオエンジニアリング助教授であるリューは、バイオエレクトロニクスを専門とする研究室を率いています。「この研究は、脳の機能を妨げず、経年劣化もしない脳と電子のインターフェースを作るという基本的な課題を解決するものです。
神経科学者は、電気や化学的なメッセージを伝達するニューロンや、脳の健康を維持する免疫細胞であるミクログリアなど、脳内のさまざまな細胞を研究するためのより良いツールを長年求めてきました。
「1つの神経細胞は10〜100マイクロメートルと非常に小さく、発火したときの活動電位（電気活動のスパイク）は2ミリ秒程度しか持続しません」とリューは言います。
ある種の技術では、動物から取り出したばかりの組織で、あるいはプローブやオプトジェネティック技術を使ってその場で活動を捉えることで、脳の小領域で短期間の実験を行うために目的の特定の細胞から脳活動を検出することができます。
しかし、これらの状態は「人生に忠実」ではなく、年齢やその他の人生経験によって活動がどのように変化するかを理解するために、個々の細胞の電気活動について十分な詳細情報を得ることはできないと、リューは言います。”行動、記憶、病気はすべて、数日、数週間、数ヶ月、数年の間に積み重なっていくものです。”
これまでの困難の多くは、生きた脳組織と電子記録装置との間の機械的特性の不一致に起因しているといいます。そのため、神経細胞やミクログリアが時間とともにどのように振る舞うかを、長期的かつ正確に記録することができませんでした。
“脳 “はとても柔らかく、豆腐やプリンのような食感です。それに対して、電子機器は硬いです。脳が少しでも動けば、生きた脳組織の中で従来のセンサーがドリフトして動いてしまいます。その構造のミスマッチが、移植部位周辺の細胞を劣化させる原因となるのです。”
この問題を回避するため、生体組織とエレクトロニクスの橋渡しをするナノエレクトロニクス（サイボーグ）工学を専門とするリューのチームは、移植可能なデバイスとそれを安全に脳に送り込む低侵襲技術を開発しました。
メッシュ状で柔軟なナノ電子センサーは、水溶性ポリマーの “シャトル “を使って脳組織に挿入するように設計されています。埋め込み前に、デバイスとその送達シャトルはリソグラフィで接続されます。脳内に埋め込んだら、生理食塩水でシャトルを溶かし、メッシュ状の電子センサーだけを残します。
マウス実験では、リューの研究チームはナノエレクトロニクスセンサーを脳の複数の領域に埋め込んだが、埋め込む過程とセンサーの存在によって、脳組織への障害は最小限にとどまった。そして、解析の対象となる単一神経細胞を選び、その細胞の電気的活動をマウスの成育期間にわたって記録する装置を使用しました。
“1年後でも、個々のニューロンの劣化や、デバイスで記録することに興味があったミクログリアの増殖は見られませんでした。”とLiuは言います。”数ヶ月から1年にわたり、活動的な動物の同じ細胞からの単一細胞の活動電位を追跡できる技術は他にありません。”
今後は、この技術をさらに発展させ、脳の活動を生体神経ネットワークからコンピュータ内の人工神経ネットワークにリアルタイムで転送して解析できるようにする予定です。また、メッシュ状のナノエレクトロニクスセンサーを使って、”神経表現 “などの現象を研究することも考えています。
“映画を見たり、車が道路を走るのを見たりすると、脳はそれらのイメージを表現するために電気活動を起こします。その神経表現の過程で、脳は感覚情報や思考を外部刺激のモデルにエンコードしています。
劉は、例えば気分は神経表現に影響されるといい、神経表現や脳の状態の変化が、時間の経過とともに気分の変動にどのように影響するかを特に研究したいといいます。
“ある日、外は寒くて灰色で、あなたは不幸で悪い気分だと感じるかもしれません。ある日、外は寒くて灰色で、あなたは不幸な気分になり、機嫌が悪くなったかと思えば、ある日は晴れて海辺で素晴らしい気分になっています。このような脳内の表象がどのように変化するかは、同じ神経細胞の活動を安定的に追跡することができなかったため、現在の技術では研究することができません。「今回の研究は、その制約を完全に克服するものです。神経科学の新時代の幕開けです。”
リューの研究の最終目標は、神経疾患、心血管疾患、発達障害の診断・治療法を開発することです。