神経活動の精密なワイヤレス記録を可能にする埋め込み型「ニューラルダスト」

DARPA国防高等研究計画局 

OUTREACH@DARPA.MIL
2016年8月3日

元記事はこちら。
https://www.darpa.mil/news-events/2016-08-03

　神経活動の正確なワイヤレス記録を可能にする埋め込み型「ニューラルダスト」

超音波を使用して、筋肉や神経に外科的に設置されたミリメートルスケールのデバイスに無線で電力を供給し、通信できることを初めて生体内でテストしました。

各神経ダストセンサーは、神経信号を測定する一対の電極、信号を増幅するカスタムトランジスタ、外部から発生する超音波の機械的パワーを電力に変換し、記録した神経活動を伝達するという2つの目的を果たす圧電結晶という、主要3部品のみから構成されています。
末梢神経系（PNS）の活動を治療的に調節することは、病気やその他の健康状態を緩和し治療するための大きな可能性を秘めています。もし、脊髄とその他の臓器を結ぶ体の情報スーパーハイウェイを構成する神経や経路と通信するための、長期的に実現可能なメカニズムが解明されればですが。

「実現可能」とはどのようなものでしょうか？小型であること、つまり、いつの日か注射や摂取が可能になるくらい小型でありながら、精密で、ワイヤレスで、安定していて、ユーザーにとって快適であることがベストな出発点です。現代の電極記録技術は、これらの資質をすべて備えているわけではありませんが、いくつか備えています。また、既存の無線方式では、小径の神経から活動を記録し、神経束内の多くの個別部位から独立して記録するために必要なサイズに十分に縮小することができません。DARPAのElectrical Prescriptions（ElectRx）プログラムは、これらの制約を克服し、末梢神経を対象としたバイオセンシングや神経調節のための慢性使用に適したインターフェース技術を提供することに重点を置いています。

今回、カリフォルニア大学バークレー校の電気工学およびコンピュータサイエンス学部が率いるDARPA資金提供研究チームは、『Neuron』誌に本日掲載された結果にあるように、個々の神経に埋め込むことができるほど小型で、体内深部の神経と筋肉の電気活動を検出でき、電力結合と通信に超音波を使用した安全なミリメートル規模の無線デバイスを開発しました。彼らはこれらのデバイスを "ニューラルダスト "と呼んでいます。研究チームは、この技術について、ネズミを使った最初の生体内テストを完了しました。

「DARPAのElectRxプログラムマネージャーであるDoug Weber氏は、「Neural Dustは、埋め込み型デバイスの無線通信に電波を使用する従来の方法とは根本的に異なるものです。「私たちの体の軟組織は、ほとんどが塩水でできています。音波はこの組織を自由に通り抜け、体内の奥深くにある神経のターゲットにピンポイントで焦点を合わせることができますが、電波はそれができません。そのため、海中ではソナー、空中ではレーダーが使われています。超音波で神経粉を通信させることで、センサーを小型化し、針注射などの非外科的な方法で、体の奥深くに設置することができます。"と述べています。

プロトタイプのニューラルダスト「モット」は、現在、市販の部品で組み立てた状態で、0.8ミリ×3ミリ×1ミリの大きさです。研究者らは、カスタム部品やプロセスを用いることで、1立方ミリメートル以下の大きさ、つまり一辺が100ミクロン程度のモートを個別に製造できると推定している。サイズが小さいということは、複数のセンサーを近接して配置し、神経や神経群の多くの部位から神経活動をより正確に記録することができるということだ。

極小サイズであること自体も素晴らしいことだが、このダストモットは、そのエレガントでシンプルな構造も印象的である。神経信号を計測する一対の電極、信号を増幅するカスタムトランジスタ、外部から発生させた超音波の機械的パワーを電気パワーに変換し、記録した神経活動を伝達する圧電結晶である。また、神経ダストシステムには、超音波を使用してモートに電力を供給し、超音波エネルギーのパルスを放射して反射パルスを聞くことによってモートと通信する外部トランシーバーボードが含まれています。テストでは、トランシーバーボードはインプラントから約9ミリメートル離れた場所に設置されました。

圧電振動子は、ニューラルダストの設計のカギを握っています。外部基板から発せられる超音波のパルスが水晶に影響を与えます。水晶は、反射して基板に戻るパルスと、振動するパルスがある。この振動が超音波の機械的パワーを電力に変換し、ダストモータのトランジスタに供給される。一方、ダストモータの2つの記録用電極にかかる神経活動による細胞外電圧の変化は、トランジスタのゲートを変化させ、水晶の端子間に流れる電流を変化させる。この電流の変化により、水晶の振動や反射する超音波の強さが変化する。このようにして、反射した超音波パルスの形状が、埋め込まれた電極に記録された電気生理的な電圧信号を符号化する。この信号は、トランシーバーボードに取り付けられた電子回路によって、外部から再構成され、神経活動を解釈することができます。「神経ダストセンサーの最大の魅力は、完全なパッシブ型であることです。電池を交換する必要がないため、最初に埋め込んだ後、さらに手術をする必要がありません」とWeberは述べています。

また、超音波は人体に安全であることも利点の一つです。超音波技術は、診断や治療の目的で古くから使用されています。既存の無線PNSセンサーのほとんどは、結合と通信に電波の形で電磁エネルギーを使用していますが、このシステムは5ミリメートルより小さいセンサーでは効率が悪くなってしまいます。しかし、5ミリメートル以下のセンサーでは効率が悪く、小型化するためにはエネルギー出力を大きくしなければならず、そのエネルギーの多くは周囲の組織に吸収されてしまう。超音波は、より低い出力でより深く組織に浸透し、副作用のリスクを低減しながら、優れた空間分解能を得ることができるという利点がある。

この概念実証は、ElectRxプログラムの第1フェーズで開発されたものです。研究チームは今後、センサーのさらなる小型化、生体適合性の確保、トランシーバーボードの携帯性向上、複数のセンサーを近接配置した場合の信号処理の明瞭化などに取り組んでいく。

画像キャプション 各神経ダストセンサーは、神経信号を測定する一対の電極、信号を増幅するカスタムトランジスタ、外部から発生する超音波の機械的パワーを電力に変換し、記録した神経活動を伝達するという2つの役割を果たす圧電結晶の3つの主要部品のみで構成されています。