MITの研究者らは、ポリマーのみで作られた高い柔軟性を備える神経プローブを実証した。このプローブは、マウスの脊髄で神経活動を光学的に刺激すると同時に記録できる。損傷した神経の機能を回復させる人工装具の開発に向けた一歩となる。
「私たちの目標は、組織の完全性への影響を最小限に抑えながら、神経科学者や医師が細胞レベルとシステムレベルの両方で脊髄の機能を調べられるツールを作ることでした」と、 ポリーナ・アニケエワAMAX材料科学・工学助教で、本論文の上席著者は述べる。本論文は11月7日付で Advanced Functional Materialsに掲載された。
プローブを設計し埋め込んだ材料科学・工学科の大学院生、Chi（Alice）Luが本研究の筆頭著者である。共著者には、Simons Center for the Social BrainのUlrich Froriep、Research Laboratory of ElectronicsのRyan Koppes、材料科学・工学科のAndres CanalesとJennifer Selvidge、McGovern Institute for Brain ResearchのVittorio CaggianoとEmilio Bizziが名を連ねる。Yoel Fink教授はファイバー紡糸タワーの利用を提供した。
実験結果
哺乳類の神経細胞を遺伝子改変によって光に反応させる手法であるオプトジェネティクスは、過去10年間にわたり脳機能の研究に広く応用されてきたが、脊髄研究は遅れていた。今年初め、CaggianoとBizziはオプトジェネティクスを用いて運動機能を 抑制できることを実証し 、今回、両グループの共同研究により、筋活動を脊髄から光学的に励起しながら、研究者が電気的な読み出しも行える装置が実現した。
「脊髄は脳よりも動きが多いため、そこで作業するのはかなり難しいのです。マウスの脊髄の半径は約1ミリメートルで、とても柔らかいため、組織を傷つけずに刺激と記録を行える装置をどう設計するかを見極めるのに時間がかかりました」とLuは説明する。
ファイバーは厚さ約1.5インチの型から引き伸ばされ、最終的には人間の髪の毛ほどの直径になった。結び目を作れるほど柔軟である。プローブは、透明なポリカーボネート製の光学コア、神経細胞の電気活動を記録する平行な導電性ポリエチレン電極、電気絶縁体と光学クラッドの両方として機能する環状オレフィン共重合体で構成される。この柔軟なプローブは、曲率半径が非常に小さい場合（例：500 µm）でも最大270度まで曲げた状態で光学機能と電気機能を維持するが、その条件では光伝送能力がいくぶん低下する。それでも、繰り返し曲げ伸ばしした後も装置は良好に機能し、通常の身体運動で予想される負荷に耐えたと報告書は示している。MITはこの装置プラットフォームについて特許を出願した。
研究者らは、黄色蛍光タンパク質で標識された光感受性タンパク質チャネルロドプシン2（ChR2）を発現する遺伝子改変マウスで、神経プローブを用いた実験を行った。ChR2により、マウスの神経細胞は青色光に反応する。McGovern Institute for Brain Researchの教授である Guoping Feng と同僚が開発したこのマウスは、光電子神経人工装具の便利なモデル系となる。「青色光のパルスを脊髄に照射すると、電気記録を取得して神経細胞の反応を直接観察できます」と、この秋に博士課程3年目に入ったLuは説明する。
「レーザーパルスはファイバープローブの［ポリカーボネート］コアを通じて照射され、脊髄の神経活動を確実に誘発した。同じ装置に組み込まれた電極で、その活動を記録した」と研究者らは報告している。
ファイバーをマウスの脊髄の近位腰髄部に挿入し、そこから光を照射すると、ふくらはぎの筋肉の一つである腓腹筋の活動が引き起こされた。光感受性マウスでの結果は、光刺激に反応を示さない野生型マウスの結果と比較して検証された。つま先をつまむと、この装置が野生型マウスの機械刺激による神経活動を依然として記録できることが示された。研究者らは筋活動を筋電図（EMG）記録で監視し、新しい装置の導電性ポリエチレン電極で脊髄の神経活動を記録した。
神経細胞の活動を記録し、光で神経細胞を刺激する機能を単一システムに組み合わせた点が新しいと、ジョージア工科大学およびエモリー大学医学部の生物医学工学科長であり、Wallace H. Coulter教授でもあるRavi V. Bellamkondaは述べる。「原理的には、『閉ループ』システムを使いたいところです。つまり、神経学的事象――たとえば脳が手足を動かそうとすること――を検出し、脊髄損傷のようなけがによって両者の自然なつながりが断たれた場合に、その機能に作用するよう刺激するのです」と同教授は説明する。
「これは、閉ループ方式で神経機能を調節するという重要な生物学的応用に向け、電気工学と光学工学を組み合わせた優れたエンジニアリングです。将来、この技術が生物学的に重要な形で利用されるのをぜひ見たいと思います」とBellamkondaは述べる。
本研究は一部、全米科学財団による以下を通じた助成を受けた。 Center for Sensorimotor Neural Engineering および Center for Materials Science and Engineering、 McGovern Institute for Brain Research Neurotechnology Program、ならびにSimons Foundation。
以下と共同で掲載： MIT News
著者：Denis Paisteは、新聞業界から移り、2012年8月にMITのMaterials Processing Centerに加わった。
画像：神経のイラスト。
