手術不要のブレイン・マシン・インターフェースを開発するDARPAの研究に磁気が重要な役割を果たす。
2021年6月7日
マグネティクス・マガジン
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手術を伴わないブレイン・マシン・インターフェースを開発するDARPAの研究で、磁気学が重要な役割を果たす
磁気に関する最もエキゾチックな研究のいくつかは、DARPAとして知られる米国国防高等研究計画局によって後援されています。
かつてSFの領域と考えられていた領域に踏み込み、新たな医療のブレークスルーをもたらすかもしれない、文字通り度肝を抜くようなプログラムである。
次世代非外科的神経技術（N3）プログラムでは、一流の研究所の科学者たちが、ウェアラブルなブレイン・マシン・インターフェースの作り方を研究しています。このインターフェースは、積極的なサイバー防衛システムや無人飛行機群の制御、あるいは複雑な任務中にコンピューターシステムと連携してマルチタスクを行うといった多様な国家セキュリティ用途を最終的に可能にするかもしれません。
同庁はこのほど、2018年に始まったプログラムの第2フェーズについて、6つの組織に資金提供を決定しました。
バテル記念研究所、カーネギーメロン大学、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所、パロアルト研究所（PARC）、ライス大学、テレダインサイエンティフィックが主導し、他の機関が協力者として参加しています。
プロジェクトのいくつかは、磁気の効果や技術と密接に連携しています。DARPAとプロジェクトチームに、特にBattelleが主導するBrainstormプロジェクトと、Rice大学が主導するMOANAプロジェクトの詳細について問い合わせたところ、以下のような回答がありました。
「DARPAは、無人システム、人工知能、サイバー操作の組み合わせにより、現在の技術だけでは人間が効果的に管理するには短すぎるタイムライン上で紛争が展開されるかもしれない未来に備えています」と、N3プログラムマネージャーのAl Emondiは述べています。N3プログラムマネージャーのAl Emondi氏は、「手術を必要としない、より利用しやすいブレイン・マシン・インターフェースを作ることで、DARPAは、ミッションの司令官が高速で展開するダイナミックな作戦に有意義に関わり続けることを可能にするツールを提供できるだろう」と述べています。
軍の主に健常者がニューロテクノロジーの恩恵を受けるには、非外科的なインターフェースが必要です。しかし、実は同様の技術は、臨床の現場でも大きなメリットをもたらす可能性があります。手術の必要性をなくすことで、N3システムは、神経疾患を管理するための脳深部刺激療法などの治療を受けられる患者を拡大しようとしています。
N3チームは、光学、音響、電磁気学を使って神経活動を記録し、信号を高速かつ高解像度で脳に送り返す、さまざまなアプローチを追求しています。
研究は2つのトラックに分かれています。完全に身体の外側にある非侵襲的なインターフェースと、信号の分解能を高めるために一時的かつ非外科的に脳に送り込むことができるナノトランスデューサを含む微細な侵襲的インターフェースシステムのどちらかを研究しています。
脳波や経頭蓋直流電流刺激などの非侵襲的な神経技術はすでに存在しますが、実世界で働く人々が高度なアプリケーションに必要とする精度、信号分解能、携帯性を提供するものではありません。N3は、外科的な埋め込み手術を必要とせず、16mm3の神経組織内の16の独立したチャンネルを50ms以内に読み書きできる精度を持つ統合デバイスを提供することで、既存技術の限界を打破することを想定しています。
各チャンネルは、既存の侵襲的アプローチに匹敵する空間的・時間的特異性をもって、脳のサブミリメートル領域と特異的に相互作用することが可能です。また、個々のデバイスを組み合わせることで、脳内の複数のポイントに一度にインターフェイスすることができます。将来の非侵襲的なブレイン・マシン・インターフェースを実現するために、N3の研究者は、皮膚、頭蓋骨、脳組織を通過する際の信号の散乱と弱化の物理学的問題や、光、音響、電磁エネルギーなどの様式で表される神経信号をデコードおよびエンコードするアルゴリズムの設計などの課題に対処するソリューションの開発に取り組んでいる。
「N3が成功すれば、わずか数ミリの距離から脳と通信できるウェアラブル神経インターフェースシステムが完成し、神経技術が診療所を超えて国家安全保障のために実用化されるでしょう」とエモンディ氏は述べています。「軍人が任務の準備のために防護服や戦術服を着るように、将来は神経インターフェースが入ったヘッドセットを装着し、必要なときにその技術を使い、任務が完了したらその道具を脇に置くかもしれません」と述べています。
BattelleによるEMトランスデューサーを使ったBrainSTORMSプロジェクト
単一の磁気電気ナノトランスデューサ
BrainSTORMSプロジェクトでは、主任研究員のPatrick Ganzer博士が率いるBattelleチームが、外部トランシーバーと電磁波ナノトランスデューサーの組み合わせで、対象となる神経細胞に非外科的に照射する微小侵襲インターフェースシステムの開発を目指します。ナノトランスデューサは、神経細胞からの電気信号を、外部トランシーバが記録・処理できる磁気信号に変換し、その逆もまた可能で、双方向通信を可能にする。
複数のMEnT's
「バテル社では、BrainSTORMS（Brain System to Transmit Or Receive Magnetoelectric Signals）プログラムに大きな期待を寄せています。"我々は、臨床応用や健常な軍人が使用するための高性能な双方向のブレインコンピュータインターフェース（BCI）の開発の第2段階への取り組みを続けています。"
"我々の研究は、その後の双方向の神経インターフェイスのために、神経組織に局在する磁電ナノトランスデューサ（MEnTs）を中心としています。また、セルラー・ナノメド社、マイアミ大学、インディアナ大学パデュー大学インディアナポリス校、カーネギーメロン大学、ピッツバーグ大学、空軍研究所を含む素晴らしいチームの功績を認めないのは不注意の極みです。
BrainSTORMSプロジェクト 図.1
図1は、当初のPhase 1アプローチの概要で、MEnTをまず循環系に注入し、磁場勾配を用いて脳組織に局在させ、神経組織および印加磁場と相互作用させて非外科的神経インターフェイスを提供するものである。これらの目標のうちのいくつかと
N3プログラムの指標は、電磁気学、ナノスケール材料、神経生理学の領域を横断するBrainSTORMSチームのマルチモーダルな専門知識を活用して、フェーズ1で達成されました。Phase 2では、脳に情報を書き込むためのMEnTsを開発することに重点を置いています。
BrainSTORMSのテスト
BattelleのNeuroLife技術を含む現在のBCI研究のほとんどは、失った機能を回復できるBCIを実現するために、脳手術を含む侵襲的なインプラント処置を受けなければならない障害者の支援に焦点を合わせています。
しかし、BrainSTORMSのアプローチでは、ナノトランスデューサを注射で一時的に体内に導入し、脳の特定部位に誘導して、ヘルメット型トランシーバーとの通信によりタスクの完了を支援することができます。作業が完了すると、ナノトランスデューサは磁気誘導によって脳から血流に導かれ、体外に排出されます。
ナノトランスデューサは、磁気を帯びたナノ粒子を用いて、脳と双方向の通信路を確立することができる。脳の神経細胞は、電気信号によって活動する。ナノトランスデューサーの磁気コアは、神経の電気信号を磁気信号に変換し、頭蓋骨を通して、ユーザーが着用するヘルメット型トランシーバーに送ることができる。ヘルメット型トランシーバーは、磁気信号をナノトランスデューサに送り返し、神経細胞で処理できる電気信号に変換し、脳との双方向通信を実現することができる。
マイアミ大学のSakhrat Khizroev教授は、ナノ粒子の合成と特性評価において、共同研究者の1人であり、この研究を主導してきた。KhizroevはPing Liangとともに、医療用磁気電気ナノトランスデューサーのパイオニアです。Liangが率いるカリフォルニアの中小企業Cellular Nanomed Inc.は、外部トランシーバー技術を開発しています。
ライス大学率いるMOANA（磁気・光学・音響神経アクセス）研究会
MOANAプロジェクト 図1
モアナプロジェクトは、ライス大学のジェイコブ・ロビンソン博士を主任研究者とするチームが主導し、脳からの記録と脳への書き込みのための微細な侵襲性のある双方向システムの開発を目指しています。
記録機能には、拡散光トモグラフィーを用いて神経組織の光散乱を測定し、神経活動を推測するインターフェースを使用する予定です。書き込み機能については、磁気遺伝学的アプローチにより、神経細胞が磁場に敏感に反応するようにする予定です。
「私たちの共同研究者であるデューク大学のAngel PeterchevとStefan Goetzが開発したカスタムパワーエレクトロニクスにより、動物モデルに注入する特定のナノ粒子の温度をわずかに上昇させることができます」と、ライス大学のECEおよびBioE准教授であるRobinson氏は説明します。「ライス大学のガング・バオ研究室が製造したこのナノ粒子は、加熱すると、遺伝子組み換えされた昆虫の脳細胞を活性化することができます。磁場の振幅と強さを変えることで、遠隔操作でミバエの特定の行動を素早くオン・オフできることを示しました。将来的には、米国FDAと共同で、同様の技術を使って人間の視覚野の特定のニューロンを遠隔で活性化し、失明に苦しむ人々の視力回復に役立てたいと考えています。"
MOANAプロジェクト 図.2
MOANAプロジェクトの目的は、外科的に埋め込まれることなく、高帯域幅のブレイン・コンピュータ・インターフェイスを提供するための設計です。このデバイスは、頭皮の表面にフィットする柔軟なCMOSチップレットのアレイで構成され、飛行時間型機能的拡散光トモグラフィー（Toff-DOT）に基づく当社の光読み出し技術を実装します。
さらに、磁気刺激アレイを頭部キャップに装着し、遺伝子工学的に設計された磁気感受性イオンチャネルを活性化します。この刺激と読み出し技術は、基地局と無線で通信し、125cm3以下の体積に折り畳まれます。このモジュラーシステムは、頭部のどの部分にも装着でき、複数の皮質領域と連動できるように構成される予定です。
Phase 1では、図1に示すように、遺伝子改変細胞の分布によって定義される空間分解能（1mm未満）と10msに近い時間分解能で、細胞タイプに特異的な刺激を実現できる遺伝子標的磁気刺激技術を特定した。この研究では、最新の磁気発生刺激と比較して、時間分解能が10倍以上向上していることが示された。
また、図2に示すように、MOANAチップレットのテープアウトに成功し、5mmの頭蓋骨ファントムを通して脳ファントムをイメージングするためのフレキシブルパッチのプロトタイプを設計しました。光量子計数能力は、統合されたToFF-DOTシステムの設計仕様を満たしている。
Phase 1のその他の成果としては、マウスでウイルスの標的かつ非侵襲的なデリバリーを実現した書き込み技術への取り組み、哺乳類細胞での高速磁気刺激の実証、高い磁気加熱効率を持つコア/シェルの磁性酸化鉄ナノ結晶クラスターを用いたウイルスデリバリーと磁気的多重化などが挙げられます。
Phase2では、さらに研究を進め、Phase3でのヒトでの実証を目指します。Phase 3では、非外科的読影、磁気遺伝学による書き込み、脳から脳への閉ループMOANAリンクのヒトでの実証を目標としています。
その他のN3プロジェクトも、磁気科学技術に関連しています。
クリシュナン・ティアガラジャン博士を研究代表者とするPARCチームは、脳に書き込むための完全に非侵襲的な音響磁気デバイスの開発を目指しています。超音波と磁場を組み合わせることで、局所的な電流を発生させ、神経調節を行うというものです。
このハイブリッド・アプローチは、脳のより深い部分に局所的な神経調節を行う可能性があります。
テレダイン社の研究チームは、主任研究員のパトリック・コノリー博士のもと、完全に非侵襲的な統合型デバイスの開発を目指しており、マイクロ光学励起磁気計を用いて、神経活動と相関する小さな局所磁場を検出します。同チームは、神経細胞への書き込みに集束超音波を使用する予定です。
詳しくは、www.darpa.mil。
関連記事
ライス大学ーMOANAプロジェクトの進展
参考記事
1. 遺伝子組み換えの「マグニート＝磁化された」タンパク質が脳と行動を遠隔操作する。
「磁化されたタンパク質で脳細胞を迅速・可逆的・非侵襲的に活性化する 。
米国の研究者らは、複雑な動物の行動に関連する脳回路を制御する新しい方法を開発した。遺伝子工学を利用して磁化タンパク質を作り、離れた場所から特定の神経細胞群を活性化させるのである。
2 神経科学の分野では、これら(グラフェン系)の材料がもたらす興味は2つある。
一つは、グラフェンまたはグラフェン誘導体（酸化グラフェンまたはその還元体）でできたナノシートは、薬物送達のためのキャリアとして使用できることである。ここで重要なのは、フレークの組成、化学的機能化、および寸法に強く依存する毒性を評価することである。
一方、グラフェンは、組織工学用の基板として利用することもできる。この場合、さまざまなグラフェン材料の特性の中で、導電性が最も重要であると考えられる。なぜなら、導電性によって、神経ネットワークへの指示や問い合わせ、神経の成長や分化の促進が可能になるからである。
3. DARPAは、電気的および光学的手法を同時に使用して神経組織を測定および刺激できる、はるかに小型で透明な接点を実証する概念実証ツールを作成しました。
ウィスコンシン大学マディソン校の研究者たちは、DARPAの信頼性の高い神経インターフェース技術（RE-NET）プログラムの支援を受けて、この新技術を開発しました。(2014年記事)
4. AIを搭載したニューロエレクトロニクスによるグラフェンベースの「ニューロモジュレーション」技術が非常に現実的であることをINBRAIN Neuroelectronicsという企業が実証しています。
5. ヒトの神経科学と神経技術の急速な進歩は、ヒトの脳からの情報へのアクセス、収集、共有、操作の前例のない可能性を開くものである。
このような応用は、予期せぬ結果を防ぐために対処すべき、人権原則に対する重要な課題を提起する
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