脳とコンピューターを繋ぐワイヤーが登場するSFは、もはや時代遅れかもしれない。米粒よりも小さなワイヤレス給電式インプラントは、将来的には脳細胞をスキャンし刺激する「ニューラルダスト」として機能するかもしれない。こうした研究は、将来的には、義肢、外骨格、ロボットを制御するための次世代ブレイン・マシン・インターフェースや、脳や身体の疾患を治療するための「電気薬学」といった技術開発につながるかもしれない。
カリフォルニア大学バークレー校の科学者によって作られた新しいプロトタイプは、それぞれ長さ約3ミリメートル、高さ約1ミリメートル、厚さ約0.4ミリメートルです。各ニューラルダストモートには圧電結晶が組み込まれており、体外から送信される超音波パルスの機械的エネルギーを電力に変換します。毎秒60回送信される超音波パルスのエネルギーは、モートに搭載されたセンサーやその他の電子機器を駆動します。
圧電結晶は入射する超音波パルスの一部を反射します。神経ダストモートに内蔵された電子機器は、散乱するパルスを変化させ、収集したデータを無線送信することができます。研究者たちはラットを用いた実験で、脚の神経線維と筋線維に埋め込まれた神経ダストモートが電気データを記録・送信できることを発見しました。
「最初はこのコンセプトにかなり懐疑的でした。あまりにも斬新だったからです」と、DARPAのバイオエンジニア兼神経科学者で、ニューラルダスト研究の資金提供に協力したダグ・ウェーバー氏は語る。「でも、実に洗練されたアプローチで、かなりうまく機能しています。」
研究者たちは、身体への刺激を避けるワイヤレスインプラントの開発を目指しました。従来の神経に接続する電子インプラントは、ワイヤーに大きく依存しており、時間の経過とともに組織に炎症を引き起こす可能性があります。
「彼らのアプローチは独創的です」と、ライス大学の神経工学者ジェイコブ・ロビンソン氏は語る。彼は今回の研究には参加していない。「彼らは神経インターフェースに関する最も重要な課題の一つに取り組んだのです。」
科学者たちは以前、電波を用いて神経ダスト粒子に電力を供給し、通信する研究を行っていました。しかし、電波は体内の深部まで到達するのが苦手です。一方、数十年にわたる超音波画像研究により、超音波パルスは軟組織への浸透に非常に優れていることが明らかになっています、とカリフォルニア大学バークレー校の電気工学者、ミシェル・マハルビズ氏は述べています。
「これは、神経活動、特に体の奥深くにある神経を感知し刺激するという点で、可能性を大きく変える画期的な技術です」とウェーバー氏は言う。
研究者たちは最終的に、神経ダスト粒子の幅をわずか50ミクロン、つまり人間の髪の毛の平均的な幅の約半分まで縮小したいと考えています。そのサイズであれば、「体ははるかに長く耐えられるはずです」とマハルビズ氏は言います。
科学者たちは現在、身体に電気刺激を与えることもできるモートの開発に取り組んでいます。もし成功すれば、神経モートは健康状態をモニタリングするだけでなく、てんかんなどの脳疾患を治療するための電気薬理学療法としても積極的に活用できるようになります。
これまでの神経ダスト粒子を用いた実験は、四肢や臓器を支配する末梢神経系のみを対象としており、脳と脊髄からなる中枢神経系は対象としていない。しかし、カリフォルニア大学バークレー校の神経科学者で電気工学者のホセ・カルメナ氏は、電気薬理療法は、膀胱のコントロールや食欲抑制など、末梢神経系において多くの応用が期待できると述べている。
長期的には、科学者たちは脳と脊髄に神経ダスト粒子を注入したいと考えています。ウェーバー氏によると、中枢神経系を標的とする神経ダストが直面する課題の一つは、超音波が骨をうまく透過しないことです。「脳と機械をつなぐインターフェースを構築するには、この点が課題となりますが、決して不可能だと言っているわけではありません」とウェーバー氏は付け加えます。
研究者たちは現在、モートのさらなる小型化、体内での持続時間を延ばすためのより生体適合性の高い材料の開発、そして他のセンサーの組み込みに取り組んでいます。マハルビズ氏によると、最終的にはモートは神経系だけでなく、体のあらゆる場所で利用できるようになる可能性があるとのことです。
「長期的には、体中のインプラントにエネルギーを送ったり通信したりして、さまざまな臓器からさまざまな方法でデータを記録し、さらには腫瘍の状態やガン治療について報告できるようにしたいと考えています」とマハルビズ氏は言う。
科学者たちはその研究結果を8月3日、ニューロン誌オンライン版に発表した。
