センサーが同じ脳細胞の電気活動を1年以上安定的に記録することに成功 Sensors stably record electrical activity from the same brain cell of interest for more than a year
2023-02-20 ハーバード大学
◆この疑問に答えるためには、個々の脳細胞がより大きな脳活動のネットワークにどのように寄与しているのか、また、それぞれの脳細胞が行動や健康全般の形成にどのような役割を果たしているのかを理解する必要があります。これまで、生きている動物の脳細胞が長期間にわたってどのように活動しているかを明確に把握することは困難でした。
◆しかし、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学大学院(SEAS)のジア・リューのグループは、電子インプラントを開発し、1年以上にわたって関心のある単一細胞から脳活動に関する詳細な情報を収集しました。この研究成果は、マウスを用いた研究に基づいており、『Nature Neuroscience』誌に報告されています。
◆脳は非常に柔らかく、豆腐やプリンのような質感です。それに対して、電子機器は硬い。脳が少しでも動けば、従来のセンサーは生きた脳組織の中でドリフトして動いてしまいます。その構造のミスマッチが、移植部位の周囲の細胞を劣化させる原因になる。
◆この問題を回避するために、生体組織とエレクトロニクスとの間のギャップを埋めるナノエレクトロニクス、すなわち「サイボーグ」の工学を専門とするリューのチームは、移植可能なデバイスと、それを安全に脳に送り込む低侵襲技術を開発した。メッシュ状の柔軟なナノエレクトロニクスセンサーは、水溶性ポリマーの “シャトル “を使って脳組織に挿入されるように設計されています。埋め込む前に、デバイスとシャトルはリソグラフィ的に接続される。脳内に埋め込んだら、簡単な生理食塩水でシャトルを溶かし、メッシュ状の電子センサーだけを残します。
◆マウスを使った研究では、リュー教授のチームがナノエレクトロニクスセンサーを脳の複数の領域に埋め込んだところ、埋め込む過程とセンサーの存在によって、脳組織への障害は最小限にとどまった。そして、神経細胞1個を分析対象とし、その細胞の電気的活動を、マウスが成体になってからも記録することに成功した。
◆「1年後でも、個々の神経細胞の劣化や、この装置で記録しようとしたミクログリアの増殖は見られませんでした」と、リューは言う。「数カ月から1年にかけて、活動中の動物の同じ細胞の単細胞活動電位を追跡できる技術は、他にはありません。
◆今後、リューは、この技術をさらに発展させ、脳の活動を生体神経ネットワークからコンピューター内の人工神経ネットワークにリアルタイムで送信して分析できるようにする予定です。また、メッシュ状のナノエレクトロニクスセンサーを使って、”神経表現 “などの現象を研究することも考えている。
<関連情報>
- https://seas.harvard.edu/news/2023/02/first-time-its-possible-record-long-term-electrical-activity-single-brain-cell
- https://www.nature.com/articles/s41593-023-01267-x
マウスの成体の全生涯にわたって、同じ細胞から神経活動を追跡する Tracking neural activity from the same cells during the entire adult life of mice
Siyuan Zhao,Xin Tang,Weiwen Tian,Sebastian Partarrieu,Ren Liu,Hao Shen,Jaeyong Lee,Shiqi Guo,Zuwan Lin & Jia Liu
Nature Neuroscience Published:20 February 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41593-023-01267-x
Abstract
Stably recording the electrical activity of the same neurons over the adult life of an animal is important to neuroscience research and biomedical applications. Current implantable devices cannot provide stable recording on this timescale. Here, we introduce a method to precisely implant electronics with an open, unfolded mesh structure across multiple brain regions in the mouse. The open mesh structure forms a stable interwoven structure with the neural network, preventing probe drifting and showing no immune response and neuron loss during the year-long implantation. Rigorous statistical analysis, visual stimulus-dependent measurement and unbiased, machine-learning-based analysis demonstrated that single-unit action potentials have been recorded from the same neurons of behaving mice in a very long-term stable manner. Leveraging this stable structure, we demonstrated that the same neurons can be recorded over the entire adult life of the mouse, revealing the aging-associated evolution of single-neuron activities.
