MITの研究者らは、外部磁場と注入した磁性ナノ粒子を用いて脳組織を刺激する方法を開発した。この技術ではニューロンを直接刺激でき、インプラントや外部接続を必要とせず、さまざまな神経疾患の有効な治療法となる可能性がある。
材料科学・工学の助教Polina Anikeeva、大学院生Ritchie Chenら3人が参加したこの研究は、学術誌『Science』に掲載された。
電気パルスを用いて脳を刺激する従来の試みは、パーキンソン病に伴う震えの軽減または解消に効果を示してきた。しかし、脳外の電源につなぐ侵襲性の高いワイヤーを埋め込む必要があるため、この治療は最後の手段にとどまっている。
「将来的には、私たちの技術によって、インプラントを使わずに脳を刺激し、マッピングする手段を提供できるかもしれません」とAnikeevaは述べる。
研究チームは、直径わずか22ナノメートルの酸化鉄磁性粒子を脳に注入した。生体組織の深部まで浸透できる外部の交番磁場にさらされると、粒子は急速に熱を帯びる。
その結果生じる局所的な温度上昇は、熱に反応するカプサイシン受容体を活性化させ、神経を活性化できる。これは、実際の熱と、辛い食べ物の「熱さ」の両方を検知するために体が使うタンパク質と同じものだ。（カプサイシンは、唐辛子の焼けるような辛さをもたらす化学物質である。）Anikeevaのチームは、ウイルスを用いた遺伝子導入により、脳内の選択したニューロンに熱感受性を持たせた。
加熱時を除いて生体組織とほとんど相互作用しない粒子は、配置された場所にとどまる傾向があるため、追加の侵襲的処置を必要とせず、長期的な治療が可能になる。
「ナノ粒子は組織に取り込まれ、ほぼそのままの状態を保ちます」とAnikeevaは述べる。「その後、外部から交番磁場を加えることで、任意のタイミングでその領域を刺激できます。私たちの目標は、無線かつ非侵襲的な方法で神経系に刺激を届けられるかどうかを明らかにすることでした。」
今回の研究により、この方法が実現可能であることが示されたが、この概念実証を脳研究や臨床治療に実用化するには、まだ多くの課題が残されている。
磁場と注入粒子の利用は、がん研究で活発に研究されてきた分野であり、粒子を加熱することでがん細胞を破壊できる可能性が考えられている。「新しい技術は、部分的にはその研究から生まれました」とAnikeevaは述べる。「加える熱量を調整すれば、ニューロンを死滅させることなく興奮させられます。磁性ナノ粒子はMRI検査の造影剤として数十年にわたり使われており、人体内でも比較的安全と考えられています。」
チームは、加えた交番磁場との相互作用を最大化するため、粒子のサイズと形状を精密に制御して製造する方法を開発した。 また、磁場を加えるための装置も開発した。がん治療用の既存装置は、はるかに強い加熱を生み出すことを目的としており、この用途には大きすぎ、エネルギー効率も低すぎた。
人間への臨床利用に向けて実用的な技術にするための次の段階は、「神経活動の記録と行動実験を通じて、この方法がどのように働くかをより深く理解し、影響を受ける領域の組織にほかの副作用がないかを評価することです」とAnikeevaは述べる。
「これは深部脳刺激に対するまったく新しいアプローチです」と、スタンフォード大学の化学助教で、この研究には関与していないBianxiao Cuiは語る。「新しい方法は比較的容易に実施でき、電極埋め込みに比べて脳組織の反応を抑えられる点で重要です。さらに重要なのは、刺激を遠隔操作できることで、深部脳刺激にとって非常に魅力的な特長です。」
この記事は MIT Newsとの協力のもと掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への賛同を意味するものではありません。
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著者：David L. ChandlerはMIT Newsに寄稿している。
画像：脳の各部位を示す頭部の骨相学模型が、ウェルカム・コレクションの展示会で見られる。REUTERS/Chris Helgren
