髪の毛よりも細い探査機を科学者が使用して人間の脳を「監視」

要約:

11 月 2 日付けの Nature 誌の報告によると、ニューロピクセルと呼ばれる超微細神経プローブが科学者による脳の研究方法を変えつつあります。人間の髪の毛よりも細いこのデバイスは、数百のニューロンの電気活動を同時に記録することができ、研究者は脳内の情報処理プロセスを前例のない精度で観察することができます。現在、この技術は動物実験から人間の脳の研究にも徐々に入ってきています。

ロンドンの病院の手術室で、科学者たちは人間の脳に直接「耳を傾ける」ことを試みています。

英国ロンドンの国立神経科・脳神経外科病院で、女性患者が正常圧水頭症のシャント手術を受けました。手術中、彼女は特別な実験に参加することに同意した。医師は、長さ約1センチメートルで髪の毛よりも細いニューロピクセルのプローブを脳に短時間挿入し、ニューロンの電気信号をリアルタイムで記録した。

研究者らはその後、「死角」、「駐車場」、「貯金箱」などの一連の単語を患者に再生して、脳が異なる単語間の移行をどのように処理するか、また単語の頻度と親しみやすさが神経活動にどのような影響を与えるかを調べました。

手術室に音が鳴り響くと、モニタリング画面上の神経信号波形が大きく変化した。これは、研究者たちがプローブを通じて外部言語刺激に対する人間の脳のリアルタイムの反応を捉えることができたことを意味します。

これまで、科学者は脳波検査や埋め込み電極を使用して人間の脳の活動を監視することができましたが、多くの場合、多数のニューロンによって生成される信号しか取得できず、個々のニューロンが何を行っているかを区別することが困難でした。

フランス、パリのロスチャイルド財団病院の神経外科医ピエール・ブルディヨン氏は、鮮やかな比喩を使ってこのテクノロジーの画期的な進歩を説明しました。

従来の EEG モニタリングは、交通量の多い交差点にマイクを設置し、ごちゃ混ぜの音から各人の会話を区別しようとするようなものです。 Neuropixels は、各人の首輪にマイクを設置して、さまざまな個人の声を聞くことに近いものです。

「全員に個別のマイクを提供できる段階にようやく到達し始めたところです」と彼は言いました。

この技術の重要な進歩は、科学者が多数の個々のニューロンの活動を同時に観察できることです。

ニューロピクセルは 2017 年に初めて発売され、米国のハワード ヒューズ医学研究所ジャネリア リサーチ パークやベルギーのマイクロエレクトロニクス研究センター (Imec) などの機関と協力して開発されました。

第 1 世代の Neuropixels プローブには 960 の記録サイトがあり、そのうち 384 の信号を同時に読み取ることができます。そのシリコンプローブ本体は髪の毛のように薄く、Nano SIM カードほどの大きさのチップに接続されており、神経信号の読み取り、増幅、デジタル化を担当します。

初期の動物実験で、科学者はマウスの脳に 2 つのプローブを埋め込み、5 つの脳領域に分布する約 700 個のニューロンを同時に記録することに成功しました。

2021 年に発売された Neuropixels 2.0 では、記録機能がさらに向上し、5,120 個の記録サイトがあり、そのうち 1,536 個を同時に読み取ることができ、デバイスは軽量になりました。

科学者たちは、新世代のテクノロジーを使用して、マウスの脳内で数万個のニューロンを同時に記録することができ、一部の実験では数か月間それらを追跡することができました。

これは、研究者が脳の局所領域の活動を観察するだけでなく、異なる脳領域がどのように連携して機能するかを研究できることを意味します。

2025 年、国際共同研究がより大規模な成果を達成しました。

米国とヨーロッパの 12 の研究室が共同で研究を実施し、Neuropixels テクノロジーを使用して 139 匹のマウスの 279 の脳領域にある 620,000 個以上のニューロンの活動を記録し、視覚、運動、意思決定などの機能に関わる全脳の神経活動のマップを作成しました。

研究により、

感覚、認知、運動に関連する神経信号がこれまで考えられていたよりも脳内に広く分布している可能性があることが判明しました。

現在、ニューロピクセルは世界中の約 1,700 の研究室で使用されており、研究対象にはマウス、キンカチョウ、フトアゴヒゲトカゲ、さらにはタコなど 20 種類以上の動物が含まれています。

霊長類の研究においても、このテクノロジーは大きな変化をもたらしました。

スタンフォード大学の神経科学者ティリン・ムーア氏は、ニューロピクセルが登場する前は、たとえ実験がうまくいったとしても、研究者は通常、1日に約20個の霊長類ニューロンの活動しか記録できなかったと述べた。現在では、少なくとも 100 個のニューロンから日常的に記録できるようになりました。

ムーア氏は、そのようなツールがなければ霊長類の神経科学研究は依然として大幅に制限されたままになると考えています。

現在、スタンフォード大学の研究チームは、ニューロピクセルを使用してマカクの視覚系の高解像度の神経活動マップを描画し、脳が視覚情報を処理する方法をさらに理解することを計画しています。

ニューロピクセルは、脳とコンピュータのインターフェイス用途に使用される埋め込み型デバイスとまったく同じではないことに注意してください。

現在の主な用途は基礎的な神経科学研究であり、科学者がニューロンの活動を記録することで感覚、運動、認知、意思決定などのプロセスを理解するのに役立ちます。関連研究は将来のブレイン・コンピューター・インターフェース技術や神経疾患研究の基礎を提供する可能性があるが、これはニューロピクセルが成熟した臨床治療能力を備えていることを意味するものではない。

「Nature」は、ニューロピクセルが神経科学を新たな段階に押し上げていると指摘しました。科学者は、脳のさまざまな領域が活動しているかどうかを観察できるだけでなく、個々のニューロンが複雑な情報処理にどのように関与しているかをさらに研究することができます。

マウスから霊長類、人間の手術室に至るまで、この髪の毛ほどの細い探査機は、科学者が人間の脳の作動メカニズムをより高い精度で探究するのに役立っています。