カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者らは、脳の表面に留まりながら脳深部の活動に関する情報を提供する神経インプラントを開発した。インプラントは、グラフェン電極の高密度アレイが詰め込まれた、薄く透明で柔軟なポリマー ストリップで構成されています。トランスジェニックマウスでテストされたこの技術により、研究者らは、脳表面からの記録を使用して深部神経活動に関する高解像度データを提供する低侵襲ブレインコンピューターインターフェース（BCI）の構築に一歩近づいた。

この作品は11月XNUMX日に出版されました。 自然ナノテクノロジー.

私たちはこの技術により、神経記録の空間範囲を拡大しています。私たちのインプラントは脳の表面に存在しますが、その設計は、より深い層からの神経活動を推測できるという点で、物理的センシングの限界を超えています。」

Duygu Kuzum 氏、研究主任著者、カリフォルニア大学サンディエゴ・ジェイコブス工学部電気・コンピュータ工学科教授

この研究は、現在の神経インプラント技術の限界を克服します。たとえば、既存の表面アレイは侵襲性が最小限ですが、脳の外層を超えて情報を捕捉する能力がありません。対照的に、脳を貫通する細い針を備えた電極アレイは、より深い層を探ることができますが、多くの場合、炎症や瘢痕化を引き起こし、時間の経過とともに信号品質が低下します。

カリフォルニア大学サンディエゴ校で開発された新しい神経インプラントは、両方の長所を兼ね備えています。

インプラントは、脳の表面に適合する、薄く透明で柔軟なポリマー ストリップです。このストリップには、直径 20 マイクロメートルの小さな円形グラフェン電極の高密度アレイが埋め込まれています。各電極は、マイクロメートルの細さのグラフェン ワイヤによって回路基板に接続されています。

トランスジェニックマウスのテストでは、このインプラントにより、研究者らは 250 種類の神経活動 (電気活動とカルシウム活動) に関する高解像度の情報を同時に取得できるようになりました。インプラントを脳の表面に配置すると、外層のニューロンからの電気信号が記録されました。同時に、研究者らは二光子顕微鏡を使用してインプラントを通してレーザー光を照射し、表面下XNUMXマイクロメートルほどの深さにあるニューロンからのカルシウムスパイクを画像化した。研究者らは、表面の電気信号と深層のカルシウムスパイクとの間に相関関係があることを発見した。この相関関係により、研究者らは表面電気信号を使用してニューラル ネットワークをトレーニングし、大規模なニューロン集団だけでなく個々のニューロンのさまざまな深度でのカルシウム活性を予測することが可能になりました。

「ニューラルネットワークモデルは、表面の電気記録と深部のニューロンのカルシウムイオン活動との関係を学習するように訓練されています」とクズム氏は述べた。 「その関係を学習したら、そのモデルを使用して地表からの深さの活動を予測できるようになります。」

電気信号からカルシウム活性を予測できる利点は、イメージング実験の制限を克服できることです。カルシウムスパイクを画像化する場合、被験者の頭部を顕微鏡下で固定する必要があります。また、こうした実験は一度に 1 ～ 2 時間しか継続できません。

「電気記録にはこうした制限がないため、私たちの技術を使えば、被験者が自由に動き回って複雑な行動課題を実行できる、より長時間の実験を行うことが可能になります」と、研究の共同筆頭著者で電気・コンピュータ工学のメルダッド・ラメザニ氏は述べた。博士号クズムの研究室の学生。 「これにより、動的な現実世界のシナリオにおける神経活動をより包括的に理解できるようになります。」

神経インプラントの設計と製作

この技術の成功は、透明性と高い電極密度と機械学習手法の組み合わせという、いくつかの革新的な設計機能のおかげです。

「高密度に埋め込まれたこの新世代の透明なグラフェン電極により、より高い空間分解能で神経活動をサンプリングできるようになります」とクズム氏は述べています。 「その結果、信号の品質が大幅に向上します。このテクノロジーをさらに注目すべきものにしているのは、機械学習手法の統合であり、これにより表面信号から深部の神経活動を予測できるようになります。」

この研究は、カリフォルニア大学サンディエゴ校の複数の研究グループの共同研究によるものです。マルチモーダルニューラルインターフェースの開発における世界的リーダーの一人であるKuzum氏が率いるこのチームには、グラフェン材料の高度なマイクロおよびナノ製造技術を専門とするナノ工学教授Ertugrul Cubukcu氏が含まれています。電気工学およびコンピュータ工学の教授、ヴィカシュ ギルジャの研究室では、基礎神経科学、信号処理、機械学習の分野からの分野固有の知識を統合して、神経信号を解読しています。彼の研究室は、柔軟な行動の根底にある神経回路メカニズムの研究に重点を置いています。

透明性は、この神経インプラントの重要な特徴の 1 つです。従来のインプラントでは、電極とワイヤに不透明な金属材料が使用されており、イメージング実験中に電極の下にあるニューロンの視野が妨げられます。対照的に、グラフェンを使用して作成されたインプラントは透明なので、イメージング実験中に顕微鏡に完全に鮮明な視野を提供します。

「電気信号の記録と神経活動の光学イメージングを同時にシームレスに統合することは、この技術でのみ可能です」とクズム氏は述べた。 「両方の実験を同時に実施できることで、画像化実験が電気記録とどのように時間的に連動しているかを確認できるため、より関連性の高いデータが得られます。」

インプラントを完全に透明にするために、研究者らは電極を回路基板に接続するために従来の金属ワイヤーの代わりに極細で長いグラフェンワイヤーを使用した。しかし、グラフェンの単層を薄くて長いワイヤとして製造することは、欠陥があるとワイヤが機能しなくなってしまうため、困難であるとラメザニ氏は説明した。 「グラフェンワイヤーには電気信号の流れを妨げる隙間がある可能性があり、最終的にはワイヤーが断線することになります。」

研究者たちは、賢い手法を使ってこの問題に対処しました。ワイヤをグラフェンの単層として製造する代わりに、中央に硝酸をドープした二重層として製造した。 「2つのグラフェン層を重ね合わせることで、一方の層の欠陥がもう一方の層によって隠蔽される可能性が高く、導電率が向上した完全に機能する薄くて長いグラフェンワイヤーを確実に作成できるようになります」とラメザニ氏は述べた。

研究者らによると、この研究は、これまでで表面に設置された神経インプラント上に最も高密度に充填された透明電極アレイを実証したという。高密度を達成するには、非常に小さなグラフェン電極を製造する必要がありました。グラフェン電極のサイズが縮小するとインピーダンスが増加し、神経活動の記録に必要な電流の流れが妨げられるため、これはかなりの課題でした。この障害を克服するために、研究者らはクズム氏の研究室が開発した、グラフェン電極上にプラチナのナノ粒子を堆積させる微細加工技術を利用した。このアプローチにより、電極を小さく透明に保ちながら、電極を通る電子の流れが大幅に改善されました。

次のステップ

チームは次に、将来的には人間による翻訳を最終目標として、さまざまな動物モデルでのテクノロジーのテストに焦点を当てます。

クズム氏の研究グループは、このテクノロジーを利用して基礎的な神経科学研究を推進することにも専念しています。その精神で、彼らはこの技術を米国やヨーロッパの研究室と共有し、血管活動が脳内の電気活動とどのように結びついているのかの理解から、脳内の細胞がどのようにして空間記憶の生成に効率的であるかの調査に至るまで、さまざまな研究に貢献している。 。この技術をより広く利用できるようにするために、クズム氏のチームは、生産を拡大し、世界中の研究者によるこの技術の採用を促進するための取り組みに資金を提供するために、国立衛生研究所 (NIH) の助成金を申請した。

「この技術は、非常に多くのさまざまな基礎的な神経科学研究に使用できます。私たちは、人間の脳のより深い理解の進歩を加速するために自分たちの役割を果たせることに熱心に取り組んでいます」とクズム氏は述べた。

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• 情報源： https://www.news-medical.net/news/20240111/UC-San-Diego-develops-revolutionary-neural-implant-for-deep-brain-recordings.aspx