初めて、小型電極アレイが数百の神経細胞を同時に記録

11年2005月XNUMX日

初めて、小型電極アレイが数百の神経細胞を同時に記録

11年2005月XNUMX日

カリフォルニア州ラホーヤ – 科学者たちは長年にわたり、一度に XNUMX つの脳細胞の電気活動を記録することで、神経系に関する情報を収集しようと試みてきました。 神経系の最も単純な機能にも何千ものニューロンが関与しているため、個々の神経細胞または少数の神経細胞の活動を記録しても全体像は得られません。

そこで、ソーク生物学研究所の神経生物学者は、高エネルギー物理学者の国際グループと協力して、数百の神経細胞の活動を同時に監視できる顕微鏡電極アレイを開発しました。

彼らの研究は、視覚補綴装置の開発のための技術的および生物学的基礎を築き、いつか病気や外傷によって目の奥を裏打ちする薄い組織である網膜を損傷した人々の視力をある程度回復させることができるようになります。

「私たちのデバイスを使用すると、適切な種類の情報を脳に伝達するために何が必要かを理解できます。 XNUMX年以内に、私たちが今学んだことが視覚補綴装置に組み込まれることを願っています」と氏は言う。 E・J・チチルニスキーは、システム神経生物学研究所の准教授であり、Journal of Neurophysiology の XNUMX 月号に掲載された研究の主著者です。

簡単に言うと、目に入る光が網膜によって高度に処理された一連の電気信号に変換され、視神経によって脳の視覚野に伝えられるときに視覚が生成されます。 網膜が損傷すると、この回路が遮断され、失明につながります。 網膜インプラントは、目の奥の神経細胞に電気信号を誘導するために使用される小さな電極アレイの助けを借りて、損傷した網膜を回避するように設計されています。

過去数年間に、網膜補綴装置の最初のプロトタイプが少数の人々に埋め込まれてきました。 しかし、電極が 16 個しか含まれていないこれらのインプラントによって生成される視覚は非常に粗雑であり、患者は光のフラッシュを識別することしかできません。

カリフォルニア大学サンタクルーズ校サンタクルーズ素粒子物理学研究所の素粒子物理学者であるアラン・リトケ氏と彼のチームは、ソーク研究者らと協力して、10分の30の大きさでありながら512個以上の電極が散りばめられた微細な電極アレイを開発した。現在のインプラントと比較して電極の数が 5 倍になります。 1 個の電極のそれぞれの幅はわずか 20 マイクロメートル、つまり人間の髪の毛の幅の約 XNUMX/XNUMX です。 このアレイは人間への移植には適していませんが、電気刺激のパターンが切除された網膜のニューロンにどのような影響を与えるかを研究するために使用できます。

ソークの神経生物学者エリック・S・フレシェット氏とチチルニスキー氏は、512個の電極アレイを使用して、網膜が移動する物体に関する情報を脳にどの程度正確に伝達するかを研究した。 彼らはアレイの上に網膜の小さな片を置き、動的な視覚画像で網膜の光受容体を刺激し、その一方で電極アレイは動く刺激に応じて生成された信号を記録した。 研究者らは、視覚入力と網膜の電気出力を比較することで、意味のある情報を脳に伝えるために網膜が使用する神経コードを研究できる可能性がある。

「網膜は単一の細胞を通じてではなく、多くの細胞が関与する活動パターンを通じて動きを伝達します。 動いている車や走っているガゼルなどの刺激が動くと、それに対応する活動の波が網膜を横切ります」とチチルニスキー氏は説明する。 同氏はさらに、「何百もの細胞から直接記録できるようになるまでは、網膜が運動の速度と方向に関する情報を脳にどれだけ正確に伝達するかを知ることは不可能でした」と付け加えた。

今ではそれが可能です。 神経生物学者は、網膜によって生成された活動パターンに基づいて、投影された移動オブジェクトの速度を 99% という驚くべき精度で推定することができました。 「日常の経験において、物事がどのくらいの速度でどの方向に動いているかを知ることは非常に重要です。XNUMX 車線の高速道路を走る車や、捕食者から逃れようとするガゼルを思い浮かべてみてください。」とチチルニスキー氏は言います。

さらに、この技術は脳内の他の神経回路の研究にも応用できる可能性があります。

現在、Chichilnisky のチームは、網膜細胞に電気信号を誘導するために顕微鏡電極アレイを使用しています。 記録研究から学んだことに基づいて、将来の研究では、網膜が視覚情報を脳に伝達するために使用する神経コードを模倣することを試みる予定です。

「うまくいけば、多くの神経細胞の意味のある活動パターンを再現できるでしょう。 これは、目の見えない被験者が通りを横断したり、単に物にぶつからないようにするなど、やりたいことをできるようにするデバイスを構築するための基礎を築くでしょう」とチチルニスキー氏は言います。

この論文に貢献したサンタクルーズ素粒子物理研究所の科学者には、物理​​学大学院生のマシュー・グリヴィッチ氏、大学院研究員のドゥミトル・ペトルスカ氏、博士研究員のアレクサンダー・シャー氏が含まれる。 技術開発への重要な貢献は、ポーランド、クラクフにある AGH 科学技術大学の Wladek Dabrowski 氏と彼の集積回路設計チームによっても行われました。

この研究の一部は、民間寄付者からの寄付によって資金提供されたソーク研究所イノベーション助成金によって実現されました。

カリフォルニア州ラホーヤにあるソーク生物学研究所は、生命科学における基礎的な発見、人間の健康の改善、次世代の研究者の育成に専念する独立非営利団体です。 ジョナス・ソーク医学博士は、1955 年にポリオ ワクチンによって、重篤な病気であるポリオをほぼ撲滅しましたが、1960 年にサンディエゴ市から寄付された土地に、マーチ オブ ダイムズの資金援助を受けて研究所を設立しました。