新開発ニューラルインプラント、複数脳領域の活動を同時追跡

脳の異なる部分は、学習と記憶形成の際にどのように相互通信しているのか？カリフォルニア大学サンディエゴ校の研究者たちによる新しい研究が、この根本的な神経科学の問いへの第一歩を踏み出しました。

この研究は、脳の異なる部分の活動を、表層から深部構造まで同時に監視するニューラルインプラントの開発によって可能になりました——これは分野初の試みです。この新技術を用いて、研究者たちは学習と記憶形成に関与することが知られる2つの脳領域——海馬と大脳皮質——の間で、多様な双方向通信パターンが生じることを示しました。また、これらの異なる通信パターンが、睡眠と休息中に海馬で発生するシャープウェーブリップルと呼ばれる現象に結びついていることも示しました。

「私たちのニューラルインプラントは汎用性が高く、脳のあらゆる領域に適用でき、海馬と大脳皮質だけでなく、他の皮質下脳領域の研究も可能にします」とドゥユグ・クズム教授は述べています。

ニューラルインプラントは、マイクロメートルサイズの金電極アレイが作られた薄く透明で柔軟なポリマーストリップで構成され、その上に白金ナノ粒子が堆積されています。各電極はマイクロメートルオーダーの細いワイヤーでカスタムプリント基板に接続されています。海馬のような深部脳領域から単一ニューロンの電気信号を記録しながら、大脳皮質のような広い領域のイメージングが可能です。

マルチ領域監視を可能にするいくつかの設計特徴があります。一つはプローブが柔軟であることです。海馬のような深部領域を監視するために脳深く挿入すると、脳から突き出た部分を曲げて顕微鏡を表面近くに降ろし、大脳皮質のイメージングを同時に行うスペースを確保できます。従来のニューラルプローブは剛性があるため、顕微鏡の邪魔になり、深部脳構造の監視と脳表面のイメージングを同時に行えません。このニューラルプローブは柔らかく柔軟ですが、挿入時の圧力による座屈に耐えられるよう設計されています。もう一つの重要な特徴はプローブが透明であることで、顕微鏡にクリアな視野を提供し、イメージング中に影や追加ノイズを生成しません。

この研究の動機は、学習や記憶形成などの様々な認知プロセスが脳でどのように起こるか、その根源に迫ることでした。このようなプロセスには海馬と大脳皮質の通信が関与します。しかし、この通信は正確にどのように起こるのか？どちらの脳領域が通信を開始するのか：海馬か大脳皮質か？これらの疑問は、この2つの脳領域を同時に研究することが非常に困難であるため、未解決のままでした、とクズム氏は語ります。

研究者たちは、トランスジェニックマウスの海馬と大脳皮質の活動をプローブで監視しました。具体的には、海馬でシャープウェーブリップルと呼ばれる振動が発生する前、最中、後の活動を監視しました。実験の結果、海馬と大脳皮質の通信は双方向的であることが明らかになりました：時には皮質が通信を開始し、時には海馬が開始します。これは脳内の領域間通信を理解する上で重要な最初の手がかりだと研究者たちは述べています。

「ここで報告した双方向通信は、皮質が海馬から情報を受動的に受け取るという従来の概念とは異なります。代わりに、皮質は脳への情報エンコードに積極的に関与し、記憶の統合と想起において指示的な役割を果たしている可能性があります」と、研究者の一人チー・レン博士は述べています。