アレン研究所、ニューロピクセルプローブで脳波記録を加速
アラン・ボイル著
シアトルのアレン脳科学研究所は、数百のニューロンを同時に監視できる新型シリコンプローブで収集した、マウスの脳の電気活動を記録した70兆バイト相当のデータを公開している。
アレン研究所を含む国際協力によって開発されたニューロピクセルシステムは、人間の患者の脳活動を記録するのにも応用できる可能性があると、この探査機を扱う同研究所の上級科学者ジョシュ・シーグル氏は述べた。
「私が最も興味を持っている応用分野は、脳のコミュニケーションパターンを解読し、脳領域間で情報がどのように伝達されるかを真に理解することです」とシーグル氏はGeekWireに語った。「伝達プロトコルとは一体何でしょうか？」
ニューロピクセルはすでに脳の内部構造に関する知見を生み出しているとシーグル氏は述べた。同研究所は今週、脳内の階層的な接続パターンを裏付ける研究結果をBioRxivプレプリントサーバーに発表する予定だ。
重要な進歩は、脳読み取りシステムの針のようなプローブに組み込まれた数百個の電極に関係している。
同研究所のシステムに搭載された6本のプローブは、それぞれ人間の髪の毛ほどの細さ（70ミクロン）で、長さは10ミリメートル未満です。しかし、各プローブには960個の電極が内蔵されており、脳に埋め込まれると、脳細胞ネットワークからの電気活動をミリ秒未満の精度で検出できます。シーグル氏によると、各プローブは一度に370回以上の測定結果を記録できるとのことです。
「これまではツールが限られていたため、一度に脳の1つの領域からしか記録できませんでした」と彼はニュースリリースで述べています。「しかし、実際には、脳が私たちに知覚や意思決定、その他あらゆる複雑な行動を生み出すのは、多くの領域間の相互作用なのです。」
シーグル氏によると、アレン研究所による最初のニューロピクセル研究は、マウスを用いた50以上の実験に基づいている。これらの実験は、視覚皮質の6つの領域と、脳の他の2つの領域、すなわち海馬と視床の相互接続に焦点を当てていた。
ニューロピクセルのおかげで、研究者たちは、実験用マウスがオーソン・ウェルズの1958年の名作映画「悪魔の住む場所」の冒頭シーンなど、さまざまな画像や動画を処理する際に脳全体に広がる電気インパルスのシンフォニーをモニタリングすることができました。
視覚処理を研究する以前の実験でも、同じ画像が使用されていました。「ニューロピクセルの記録と画像データを可能な限り直接比較できるように、刺激を画像化実験で使用したものとできるだけ近づけたいと考えました」とシーグル氏は説明しました。
各実験では数千個のニューロンの活動をモニタリングし、10万個の脳細胞の行動を記録したデータセットを作成しました。これはマウスの脳にある7500万個のニューロンのほんの一部に過ぎませんが、これまで用いられてきたニューロン単位のモニタリング手法から大きく前進したと言えます。
「このデータセットには、これまで人間の目には捉えられなかった膨大な数のニューロンが含まれています」と、アレン脳科学研究所の主任科学者兼所長であるクリストフ・コッホ氏は述べています。「これらのデータは前例のないものであり、地球上の誰もが独自の発見に利用できるよう、標準化された形式で公開します。」
外見上、Neuropixelsデバイスは、億万長者のイーロン・マスク氏が支援するベンチャー企業Neuralinkが開発した別の脳モニタリングシステムに似ている。しかし、シーグル氏によると、Neuropixelsは全く異なる目的のために設計されているという。
「ニューラリンクは、人間の外科手術患者への埋め込み用に技術を最適化しました。四肢麻痺で手足を動かすことができない患者は、ロボットアームを動かし、手足の制御を取り戻すために、脳に直接接続するインターフェースを必要としています」と彼は述べた。「ニューロピクセルのプローブは、科学研究用のデバイスとして特に最適化されています。」
本日のデータリリースでは、約75,000個のマウス脳細胞と約50,000個のヒト脳細胞の転写データがAllen細胞型データベースに追加されました。マウス細胞型のデータベースは、脳の皮質と海馬を完全にカバーし、合計25の異なる領域をサンプリングしています。
「これらのデータは、ヒトにおいてアルツハイマー病から精神疾患に至るまで、様々な病態に関与する脳領域を網羅しています」と、アレン脳科学研究所の構造化科学担当エグゼクティブディレクター、ホンクイ・ゼン氏は述べています。「これらの領域の細胞の種類を特定することは、脳疾患の起源をより深く理解するための重要な第一歩です。」
しかし、待ってください…それだけではありません。今回のデータ公開には、カスタマイズされた電極「オクトパッチ」装置による最初の測定値が含まれています。この装置により、研究者は一度に最大8個のニューロンからの電気パターンを観察できます。この手法は、隣接するニューロン間の接続を研究するための新たな手段となります。
「これらの実験により、個々の細胞タイプの理解にとどまらず、細胞間で伝達される信号の理解が可能になり、ひいては細胞タイプそのものをより明確に定義するのに役立つだろう」と、アレン脳科学研究所の電気生理学副所長、ゲイブ・マーフィー氏は述べた。
アレン研究所は、マイクロソフトの共同創業者であるポール・アレン氏からの1億ドルの支援を受けて2003年に設立されました。以来、アレン氏からのさらなる寄付に加え、他の個人寄付者、財団、政府機関からの支援も受け、オープンサイエンス事業を拡大してきました。アレン氏はちょうど1年前の今週、65歳で亡くなりました。
