ファイバーオプティクスが脳回路研究を深化させる(Prime time for fiber optics to take a deep dive into brain circuits)

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2025-11-04 ワシントン大学セントルイス校

ワシントン大学セントルイス校の工学部と医学部の研究チームは、脳深部での神経活動を多点的に制御できる新型光ファイバーデバイス「PRIME(Panoramically Reconfigurable IlluMinativE)ファイバー」を開発した。ヒトの毛髪ほどの細さの光ファイバー内部に約1,000個の微小ミラーをレーザー加工で刻み、光を多方向へ再構成的に照射できる。従来1本のファイバーで1点のみ刺激可能だった制約を克服し、行動中の動物モデルで脳回路活動を空間的・時間的に制御することに成功した。これにより、感覚入力から行動出力までをつなぐ脳回路の機能解析が可能となる。今後は双方向インターフェース化やワイヤレス化を目指し、自由行動下での脳活動計測・操作を実現する予定。成果はNature Neuroscience誌に掲載された。

ファイバーオプティクスが脳回路研究を深化させる(Prime time for fiber optics to take a deep dive into brain circuits)
By laser-engraving approximately 1,000 microscopic mirrors into a single optical fiber, WashU engineers and neuroscientists have developed a hair-thin implant that can direct light to multiple deep-brain targets for neural modulation. This image shows how the fiber can be controlled down to a few nodes of light in specific directions, or even the full thousand lit nodes as shown on the right. (Image: Song Hu lab)

<関連情報>

神経活動をパノラマ的に再構成可能な制御を可能にするレーザーエンジニアリングされたPRIMEファイバー Laser-engineered PRIME fiber for panoramic reconfigurable control of neural activity

Shuo Yang  (杨硕),Keran Yang  (杨轲然),Quentin Chevy,Adam Kepecs & Song Hu  (胡松)
Nature Neuroscience  Published:31 October 2025
DOI:https://doi.org/10.1038/s41593-025-02106-x

Abstract

Understanding the neural basis of behavior requires tools to flexibly control neural activity across distributed circuits. Optical methods enable precise, cell-type-specific control, but current fiber-based approaches deliver light to only a few fixed sites, limiting versatility. To address this, we developed ‘panoramically reconfigurable illuminative’ (PRIME), a single-fiber probe with over a thousand light-emitting sites distributed along its length and circumference, enabling panoramic and reconfigurable illumination from a single implant. We equipped a 160-μm multicore fiber with laser-engineered grating light emitters at designated axial and radial positions. By modulating input light patterns, PRIME dynamically switched illumination at 60 Hz among 1,200 sites spanning 5 mm and 360°. By integrating PRIME with high-density recording arrays, including Neuropixels, we demonstrated spatially targeted optogenetic activation alongside simultaneous electrophysiological recording in vivo. In freely moving mice, stimulation at different depths and locations within the superior colliculus evoked distinct defensive behaviors. PRIME’s scalable and reconfigurable light delivery across large volumes offers a powerful platform for optical control of neural circuits across the brain.

生物工学一般
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