「ニューログレイン」は次世代の脳コンピューターインターフェースとなるかもしれない

ブラウン大学の研究チームは、数十個のシリコンマイクロチップを用いて脳の活動を記録し、コンピューターに送信するシステムを開発した。「ニューログレイン」と呼ばれるこのチップは、塩粒ほどの大きさで、脳の表面や組織全体に散りばめられ、従来の脳インプラントでは不可能だったより広範囲の領域から神経信号を収集できる。

「それぞれの粒子には十分な数のマイクロエレクトロニクスが詰め込まれており、神経組織に埋め込まれると、一方ではニューロンの活動を傍受し、他方ではそれを小さな無線機として外界に送信することができます」と、ブラウン大学の神経工学者でニューログレインの開発を主導した筆頭著者のアルト・ヌルミッコ氏は述べています。脳コンピューターインターフェースとして知られるこのシステムは、8月12日に Nature Electronics誌に掲載された論文で説明されています。

ヌルミッコ氏はブラウン大学の他の研究者、そしてベイラー大学、カリフォルニア大学サンディエゴ校、クアルコムの共同研究者らと共に、4年前に国防高等研究計画局（DARPA）からの初期資金提供を受け、ニューログレインの開発に着手しました。これまでのところ、研究者らはげっ歯類でニューログレインを試験しただけですが、このプロトタイプがヒトでの研究の基盤となることを期待しています。ニューログレインは脳活動を記録するだけでなく、微小な電気パルスでニューロンを刺激することもできるため、てんかんやパーキンソン病などの脳疾患の治療や、損傷によって失われた脳機能の回復に向けた興味深い研究方法となっています。

研究チームはラットにこのシステムを埋め込み、開頭手術により脳の外層である大脳皮質に48個のニューログレインを配置し、運動野と感覚野の大部分を覆うようにマイクロチップを配置した。頭皮に貼り付けた親指の指紋ほどの薄いパッチが外部通信ハブとして機能し、小型の携帯電話基地局のようにニューログレインからの信号を受信し、処理し、チップをワイヤレスで充電する。

研究者たちは、動物を麻酔した状態でこのシステムをテストし、ニューログレインが意識不明のラットの自発的な皮質活動を記録できることを発見しました。しかし、信号の品質は、ほとんどの脳コンピューターインターフェース研究で使用されている市販のチップで得られる信号ほど良好ではありませんでした。これらのインターフェースは1970年代から開発が進められており、近年では少数の麻痺患者がタブレット端末を操作したり、コンピューターでより高速に入力したり、ロボットアームや画面上のカーソルを思考するだけで動かしたりすることが可能になっています。

脳や脊髄を損傷した人にとって、これらのシステムは最終的にコミュニケーションと運動を回復させ、より自立した生活を可能にする可能性があります。しかし、現時点ではそれほど実用的ではありません。ほとんどは扱いにくいセットアップを必要とし、研究室以外では使用できません。また、脳インプラントを装着した人は、インプラントが一度に記録できるニューロンの数が比較的少ないため、実行できる動作の種類が制限されます。使用される最も一般的な脳チップであるユタアレイは、100本のシリコン針を積み重ねたものです。各針の先端には脳組織に刺さる電極があります。これらのアレイの1つは、米国の1セント硬貨に描かれたエイブラハム・リンカーンの顔とほぼ同じ大きさで、周囲の数百のニューロンの活動を記録できます。

しかし、研究者が関心を持つ脳機能の多くは、記憶、言語、意思決定など、脳全体に広く分布するニューロンのネットワークに関わっています。「これらの機能が実際にどのように機能するかを理解するには、システムレベルで研究する必要があります」と、ワシントン大学の心理学准教授で、ニューログレイン・プロジェクトには関与していないシャンテル・プラット氏は述べています。プラット氏は、インプラントではなく頭部に装着する非侵襲性の脳コンピューター・インターフェースの研究に取り組んでいます。

より多くのニューロンから記録できるようになることで、より微細な運動制御が可能になり、脳制御デバイスで現在可能な範囲がさらに拡大する可能性があります。研究者は、動物実験でこれらのデバイスを用いて、脳の異なる領域がどのように相互に情報伝達するかを学ぶこともできます。「脳の働きに関しては、部分の総和よりも全体の方が重要です」と彼女は言います。

ユタアレイを製造するブラックロック・ニューロテックの共同創業者兼社長、フロリアン・ソルツバッハー氏は、分散型神経インプラントシステムは、基本的な運動機能の有効化やコンピューターの使用といった、多くの短期的な用途には必ずしも必要ではないと述べています。しかし、記憶や認知能力の回復といったより未来的な用途には、間違いなくより複雑な構成が必要になるでしょう。「言うまでもなく、究極の目標は、脳全体、つまり表面から深部まで、可能な限り多くのニューロンから記録できる技術です」とソルツバッハー氏は言います。「今、その複雑なシステムが必要でしょうか？おそらく必要ないでしょう。しかし、脳を理解し、将来の応用を検討する上で、より多くの情報があればあるほど良いのです。」

センサーが小さくなれば、脳へのダメージも軽減される可能性があると彼は続ける。現在のアレイは、すでに非常に小さいとはいえ、インプラント部位の周囲に炎症や瘢痕形成を引き起こす可能性がある。「一般的に、何かを小さくすればするほど、免疫系が異物として検知する可能性は低くなります」とソルツバッハー氏は言う。彼はブラウン大学の研究には関わっていない。体は、破片のような異物を検知すると、それを溶かして破壊するか、瘢痕組織で包み込もうとする。

しかし、小さい方が優れているとはいえ、必ずしも万能ではないとソルツバッハー氏は警告する。極小のインプラントでさえ免疫反応を引き起こす可能性があるため、ニューログレインは生体適合性のある材料で作られる必要がある。脳インプラント開発における大きな課題は、交換手術のリスクを回避するために、長持ちするインプラントを開発しながら、いかにして損傷を最小限に抑えるかということだ。現在のアレイは約6年持続するが、瘢痕組織のためにそれよりもずっと早く機能しなくなるものも多い。

ニューログレインが解決策だとすれば、それを脳にどうやって送り込むかという問題は依然として残る。ブラウン大学の研究者たちはげっ歯類実験でラットの頭蓋骨の大部分を切除したが、これは当然のことながら、人間にとっては理想的ではない。現在の埋め込み型アレイは患者の頭に穴を開ける必要があるが、ブラウン大学の研究チームは侵襲的な脳手術を完全に避けたいと考えている。そのために、彼らは特殊な装置を使って細い針を頭蓋骨に刺し、ニューログレインを挿入する技術を開発している。（Neuralinkは、コイン型の脳インプラントを送達するための同様の「ミシン」のようなロボットを開発中である。）

マイクロチップの安全性と寿命は、覚醒した自由に動き回るげっ歯類で試験する必要がある。ブラウン大学の研究チームは次にこれを計画している。その後、サルでの研究に移る。ヌルミッコ氏は、最終的にラットの実験装置を770個のニューログレインまで拡張し、人間の脳の表面積をカバーできると想定している。

膨大な神経データがこれらのチップによって収集されるため、これらの信号の意味を解読するのは容易ではありません。ブラウン大学の研究チームは、数千、そして最終的には数十万ものニューロンからの信号を記録できるようにしたいと考えています。これらの脳信号はすべて解読され、ユーザーが望む動作を実行する外部デバイスに中継するためのコマンドに変換される必要があります。そのためには、今日のよりシンプルなシステムでは提供できない、はるかに高度な神経情報解析が必要になります。

その間、ヌルミッコのチームは、ニューログレインをさらに小型化して、脳に数百個埋め込んでも脳へのダメージを最小限に抑えられるかどうか検証したいと考えています。ヌルミッコによると、これはマイクロエレクトロニクスの問題です。「まるで『ミクロキッズ』のようなことをしているんです」と彼は言います。「しかし、チップが戻ってきて、期待通りに動作しないこともあり、そうなるとやり直さなければなりません。それが、この旅の血と汗と涙の結晶なのです。」

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