人間の髪の毛より太くない単一の柔軟な繊維が、光・電気・化学の信号を脳との間で送受信することに初めて成功し、2年前に初めて提案されたアイデアが実証された。生体適合性をさらに高めるために多少の改良を加えれば、この新しい手法は、脳のさまざまな領域の機能や相互のつながりを知るための方法を大幅に改善する可能性がある。
この新しい繊維は、材料科学者、化学者、生物学者などの専門家が協力して開発した。研究成果は、次の学術誌に報告された。Nature Neuroscience論文の著者は、MITの大学院生Seongjun Park、材料科学・工学科の1942年卒業生キャリア開発教授Polina Anikeeva、材料科学・工学科および電気工学・コンピューターサイエンス学科の教授Yoel Fink、脳・認知科学科のSamuel A. Goldblithキャリア開発教授Gloria Choiのほか、MIT内外の10人である。
この繊維は、脳組織の柔らかさと柔軟性を模倣するよう設計されている。これにより、インプラントを留置し、一般的な硬い金属繊維では現在実現できる期間よりもはるかに長く機能を保たせることが可能になり、より広範なデータ収集ができるようになる。たとえば、実験用マウスを使った試験では、研究者らは、ニューロンを光に反応しやすくするオプシンと呼ばれる遺伝子を運ぶウイルスベクターを、繊維内にある2本の流体チャネルのうち一方から注入できた。オプシンが作用するのを待ってから、中央の光導波路に光パルスを送り、6つの電極を使って特定の反応を特定しながら、誘発された神経活動を記録した。これらすべてを、幅わずか200マイクロメートル、つまり人間の髪の毛ほどの単一の柔軟な繊維で行った。
これまでの神経科学研究では、一般に別々の装置に頼ってきた。光遺伝学でウイルスベクターを注入する針、光を送る光ファイバー、記録用の電極アレイを使うため、手順が大幅に複雑になり、各装置の位置を精密に合わせる必要があった。実際に位置をうまく合わせられるかどうかは「ある程度、確率任せだった」とAnikeevaは言う。「これらすべてを一台でできる装置があればいいのに、と考えました。」
長年の取り組みを経て、チームはその実現を達成した。「オプシンを含むウイルスを細胞に直接届け、反応を刺激して活動を記録できます。そして、この［繊維］は十分に小さく、生体適合性もあるので、長期間留置できます」とAnikeevaは言う。
各繊維は非常に小さいため、「理論上は、複数を使って活動の異なる領域を観察できる可能性があります」と彼女は言う。初期試験では、研究者らは一度に脳の異なる2領域にプローブを置き、実験ごとに使う領域を変えながら、反応が領域間を伝わるのにかかる時間を測定した。
この多機能繊維を可能にした鍵は、必要な柔軟性を保ちながら電気信号を効率よく伝える導電性の「ワイヤー」の開発だった。多くの試行を重ね、チームはグラファイトの薄片を混ぜた導電性ポリエチレンの複合材料を作り上げた。まずポリエチレンを層状にし、グラファイトの薄片を振りかけてから圧縮した。次に別の2層を加えて圧縮し、さらに同じ工程を繰り返した。チームの一員で、材料科学・工学を最近卒業したBenjamin Grenaは、これを「ミルフィーユ」（文字どおり「千枚の葉」を意味するフランス語で、ナポレオン菓子の名称）を作るようなものだと表現した。この方法によって、ポリマーの導電率は4倍から5倍に高まったとParkは言う。「それにより、電極の大きさを同じ割合で小さくできました。」
こうした繊維でただちに解明できる問いの一つは、遺伝物質を注入してからニューロンが光に感受性を持つようになるまで、正確にどれほどの時間がかかるかということだ。これまでは大まかな推定しかできなかったが、今ではより明確に特定できるようになったとチームは述べている。初期試験で使った特定の感作剤は、約11日後に効果を生じることが分かった。
チームは繊維の幅をさらに細くし、その特性を神経組織にいっそう近づけることを目指している。「次の工学的課題は、隣接する組織に本当に適合するよう、さらに柔らかい素材を使うことです」とParkは言う。すでに世界中の数十の研究チームが、自らの研究で試すため、新しい繊維のサンプルを求めている。
「著者らは、多機能繊維デバイスについて、非常に洗練された設計と機能を報告しています。脳機能の光遺伝学研究において、共局在した発現、記録、照明を実現する単一のプラットフォームを構築しています」と、この研究には参加していないノースウェスタン大学の材料科学・工学、生物医学工学、神経外科の教授John Rogersは言う。「こうした技術やツールの進歩は、神経科学研究の発展に不可欠です」と彼は述べる。
研究チームには、MITの電子研究所、電気工学・コンピューターサイエンス学科、マクガヴァン脳研究所、化学工学科、機械工学科のメンバーに加え、日本の東北大学とバージニア工科大学の研究者が参加した。研究は、米国国立神経疾患・脳卒中研究所、米国国立科学財団、MIT材料科学・工学センター、感覚運動神経工学センター、マクガヴァン脳研究所の支援を受けた。
