神経科学

脳への窓を開く光学ツール
リチャード・ゴーハン
ブレイン・マシン・インタフェースは、生理学と認知の基本的な関係だけでなイラ大（ University of L ’ Aquila ）と英く、神経病理や神経可塑性などの研究にも役立っている。

インペリアル・ カレッジ・ ロンドン（ Imperial College London ）のアンド神経シグナルを外部デバイスに接続するための手段として考案された。しレア・デ・マルセリス教授（ Andrea Deする機器であるブレイン・マシン・イン

かしながら現在では、神経可塑性や神Marcellis ）らは、超広帯域パルスデー

タフェース（ BMI ）は義肢装具を制御

経病理、生理学と認知の基本的な関係

タコーディングに着想を得て、植込みし、逆に外部デバイスからの信号を脳について知 見 をもたらしている（ 1 ）。

型バイオテレメトリー機器に光通信をに伝達して解釈させることもできる。

BMI 技術はさまざまな面で急速に発展導入しようと検討した（ 2 ）。デ・マルセ

理想的な BMI は双方向のコミュニケーしており、より高速なデータ伝達、よリス教授は、このアプローチによって、ションを可能とし、感覚のフィードバり微細な操作、全く新しい機能の実現「電磁干渉がなく、高いデータ伝送速ックと運動の制御が同時に起こる生体が可能となっている。

度と低消費電力」ともたらすと述べる。

脳の閉ループ性能を模倣する。

研究チームは、850nm の VCSEL ト

スピードを上げる

光技術は高速で比較的侵襲性が低ランスミッタと、直径 250μm で応答速く、互いに干渉したり電気信号に影響

将来の植込み型デバイスは、高密度度 47ps の光ダイオードを高ゲインアンを与えたりすることがないため、よりに配列された単一ニューロンの信号をプに接続したシステムを設計した。レ

高 性 能 な BMI を実 現 する鍵 となる。

検出できるかもしれないが、そのデーーザの出力を上げずに伝送エラーを最BMI は当初、神経学の知見を実用化

タをどう伝送すべきだろうか。伊ラク小限に抑え、また組織の熱ダメージを避けるため、同期オンオフキー変調を実装した。これにより、クロック信号

マイクロプローブアレイ（神経のアナログ信号）

Rx

外部レシーバTx

メータを探すため、厚さ 3.5mm のブタ外部デバイス（モニタリング、アクチュエータ、義肢装具）

光バイオテレメトリーリンク

N

前処理

トランスミッタ
レーザドライバ
ビット
ストリーム データ
コー パルス
信号伝送
クロック ディングレーザ

組織 ‒ 皮膚デジタル信号（外部モニタリング、アクチュエータ制御）
M

後処理

ビットストリーム
復元
データ

光パルス
光ダイオードパルス
デコー 信号受信 光ダイオード
クロック ディング
調節
復元
レシーバ

図１ 超広帯域パルスデータコーディングに着想を得た光学データ伝送は、厚さ 3.5mm のブタの皮膚を介して 300Mbit/s で伝送できる性能を示した。

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つ自動的にデータ整合性を維持できる。
この方式を検証して最適な動作パラ

植込み型
トランスミッタ

アナログ信号（神経・生物的データ）とデータ信号を組み合わせて、迅速かの皮膚の内側に VCSEL を設置し、反対側に光検出器を置き、神経シグナルを伝送するシミュレーションを実施した（図 1 ）。300MHz で 900ps パルスを照射し、平均光出力を 2mW 以下にすると、ビット誤り率は 10 -10 以下、総電力消費量は 11mW 以下であるシステムであると実証された。
デ・マルセリス教授のチームは、このプロトコルを ASIC システムオンチップ（ SoC ）に実装し、現在はミスアライメント耐性を向上させ、必要電力を削減するために、オプトエレクトロニ
クスソリューションを研究している（3）。
「我々の光学バイオテレメトリーはブレイン・マシン・インタフェースなど、非常に拡張性の高い植込みデバイスに特に適している」と同教授は言う。

増幅器とDAQ

シグナル変換 （x）
f

光電子増倍管x=フィルタダイクロイックミラー

レーザ
パルス

レーザ

マウスから別のマウスへ

レンズ

光学ファイバ

光技術はデータ伝送の速度と品質を光学ファイバ向上させるが、神経シグナルを取得したり、その信号を有用な方法で利用したりすることには役立たない。中国国

ヘッドプレート

立生物科学研究所（ National Instituteリウ氏（ Luhui Liu ）とルイユ・ワン氏（ Ruiyu Wang ）は、この課題に劇的なアバター

マスターof Biological Sciences ）のミンミン・ルオ（ Minmin Luo ）研究室のルーホイ・

ヘッドプレート

図２ 神経活動時に蛍光を発するよう遺伝的に改変された「マスター」マウスの脳と、光で活性化するよう改変された「アバター」マウスの脳をつなげると、マスターマウスからのシグナルに応答してアバターマウスが動作する。

方法で取り組んでいる。彼らは、1匹のマウスの運動領域からシグナルを取得ている。具体的には、この神経細胞で強度を測定し、20 〜 50Hz の周波数にし、別のマウスの脳を刺激して、2匹のチャネルロドプシン 2（ ChR2 ）が発現し変換してからアバターマウスに光信号マウスが同調して歩くようにした。て光に反応するよう形質転換された。

を送った。これを14組のマウスで行い、ルオ氏のチームは、「マスター」マウ

アバターマウスの脳にファイバを植込20 分間隔で測定した。マスターマウス

スの運動制御部の神経細胞を光遺伝学

む と NI に 照 射 で き る。5、10、20、がトレッドミルの上を歩き始めると、的に改変し、Ca2+ のインディケータで50Hz の周波数で 488nm の光を 5ms パ

1.5 メートル離れたアバターマウスが同ある GCaMP6 を発現するようにした。

ルスで照射すると、マスターマウスとじタイミング、同じ速度プロファイル

特 に ターゲット と し た の は Nucleus

同じようにデバイスを頭部に固定されで歩いた（図 3 ）。

Incertus（ NI ）領域の神経細胞である。

たアバターマウスは、光の信号に応答チームのポスドクであるルーホイ・リ

ここの神経細胞では、神経シグナル分してトレッドミルの上を歩いた（図 2 ）。

ウ氏によると、「光による脳間インタ子であるニューロメジン B（ NMB ）がその後、研究チームは 2 つの成果をフェース（ BtBI ）が、EEG による BtBI発現している。先行研究で、これらのつなげた。マスターマウスからの光ので報告されている推定情報速度より、（4）

射 して追 究 した。GCaMP6 が 488nm
光で励起されると、Ca2+ イオンの存在下で高レベルの蛍光を発する。この蛍光が神経活動の指標となる。この装置をマウスの頭部に固定し、トレッドミルの上で自由に歩かせた。蛍光が明るくなるほど神経活動が高いことを意味し、動きが早いことと相関した。
さらに NI NMB の神経細胞を別のマウス（「アバター」マウス）で改変した。
この改変は、先とは逆で、光によって神経活動が引き起こされるようになっ

ΔF/F (%)

後、光ファイバを植込み、脳領域に照速度〔cm/s〕いることがわかっていた。彼らはその速度〔cm/s〕

神経細胞が運動の指示などに関与して20マスターの速度

1006040200T2x=
マスターのCa2+T1f(x) = (x ‒ T1 * (50 ‒ 20)+ 20(T2 ‒ T1)

2010レーザパルス
アバターの速度

0246時間〔s〕

81012

図３ マスターマウスの脳内で検出された蛍光は、アバターマウスの脳内で神経発火を誘発するパルスに変換される。すると、アバターマウスはマスターマウスの行動を投影する。

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または ChR2 活性化遺伝子が導入された。神経細胞はカラムの中に軸索を伸ばした（図 4 ）。研究チームは、これらのマイクロ組織工学神経ネットワーク
図４ チャネルロドプシンが発現しているニューロン（左）と、GCaMP が発現しているニューロン（右）を中空ハイドロゲルチューブの端に設置すると、軸索が伸びてお互いに結合する。

0.3

図５ 縦の青いバーで示した「生きた電極」の片端の光パルスは、実線の黒のカーブで示した反対側のカルシウム応答を誘発する。

0.30.20.2（μTENN ）を 2 〜 9mm の長 さで製 作した。双方向性のμTENN では、一端の ChR2 ニューロンを刺激すると、もう一端で RCaMP1b が発現する凝集体の中で蛍光を発することが確認された（図 5 ）。
研究チームは、ラットの一次視覚野にμTENNを植込み、もう一端は頭蓋骨の表面まで伸ばして、密封窓で保護し0.1た。多光子顕微鏡を用いて、カルシウ

0.1

ムが結合した RCaMP1b の蛍光によって神経活性を可視化できた。μTENN

0910.512は少なくとも 1 ヶ月間は保持された。

018さらに劇的なことは、ラット脳を免疫組20

織化学的に調べると、μTENN ニューロンは移植部位から数ミリメートル伸少なくとも 2 ケタ高い伝送速度で運動そのような方向性を持っている。複数

びており、ラット脳とシナプス形成し情報を伝送できることを我々は実証しの機関からなるチームの一員として彼ていることの明確な証拠が得られた。

た」という。マスターマウスに複数のらは、光遺伝学的に改変された神経細本研究は初期段階であるものの、いファイバを取り付け、共発現する光学胞から「生きた電極」を開発した。こくつかの意味はすでに明らかになってプローブを追加すれば、旋回や後進をれは、脳内の信号を皮膚表面に伝送でいる。μTENNが作る「生きた電極」は、操作する信号など、より細かい運動制きる電極だ。

脳内からの神経シグナルに表面から直御信号を局在化できるかもしれない。

カレン教授のチームは、胎児期のラ接アクセスでき、将来の神経インタフ

今回の研究は将来的に、「他の個体のットから大脳皮質細胞を採取して培養ェースの基礎を築く。研究者らは、「複運動を完全に制御できる BtBI 」が開発し、球状の凝集体にした。この凝集体を、数の異なるμTENN を近接して成長さされ、「種内で、あるいは種を超えて」

外径 398μm、内径 180μm のハイドロせ、連携できれば、神経回路全体のシ利用できる可能性を切り開いたとリウ

ゲル製の中空マイクロカラムの片端またステムレベルのネットワークダイナミ

氏は述べる。

は両端に配置した。凝集体には、Caクスモデル化、操作、特徴付けが可能

レポーター 遺 伝 子 である RCaMP1b、だろう」と結論付けている。

脳から直接ここまで紹介した技術は、神経シグナルを作る何らかの外部メカニズムが脳の外でアクセス可能であることを示唆または要求している。しかし、脳そのものが内部シグナルを外部からアクセスできる場所に伝送できたらどうだ
ろう。米ペンシルベニア大の D・ケイシー・カレン教授（ D. Kacy Cullen ）は、

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2+

参考文献
（ 1 ）K. A. Moxon et al., Neuron, 86, 1, 55-67（ 2015 ）; doi:10.1016/j.neuron.2015.03.036.
（ 2 ）A. De Marcellis et al., IEEE Trans. Biomed. Circuits Syst., 1 4 , 3 , 4 4 1 -4 5 1（ 2 0 2 0 ）;doi:10.1109/tbcas.2020.2972733.
（ 3 ）A. De Marcellis et al., Proc. IEEE, 1-5（ 2020 ）; doi:10.1109/iscas45731.2020.9180609.
（ 4 ）L. Lu et al., Sci. China Life Sci., 63（ 2020 ）; doi:10.1007/s11427-020-1675-x.
（ 5 ）D. O. Adewole et al., Sci. Adv., 7, 4, eaay5347（ 2021 ）; doi:10.1126/sciadv.aay5347.
著者紹介
リチャード・ゴーハンは、米マウンテンオプティカルシステムズ社のオーナー兼 BioOptics Worldの寄稿記者。 e-mail：rgaughan@mountainoptical.com

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