二光子顕微鏡で研究者がリアルタイムに脳活動をモニタリング可能に

脳活動の計測は、神経科学における重要な研究手段です。カリフォルニア大学デービス校の研究者は、マウスの脳組織で神経細胞の活動を高速に観察する二光子蛍光顕微鏡を開発しました。細胞レベルの情報を得る技術ですが、人間の思考をそのまま読み取る装置ではありません。

脳活動の理解は、アルツハイマー病などの神経疾患の治療を含む多くの分野にとって重要です。科学者は、ニューロンが思考中にどのように通信し相互作用するかを解明するために多大な努力を費やしてきました。この研究の目的は、細胞レベルの解像度まで複雑な神経相互作用を完全に理解することです。

研究者は、学習、記憶、意思決定や疾患に関連する神経回路の仕組みを理解するため、このような計測データを活用しようとしています。今回の装置は、動的な神経活動を観察するための研究用ツールです。

現在の脳活動の記録方法

脳活動の計測には複数の方法があり、時間分解能、空間分解能、測定できる信号などが異なります。代表的な方法には機能的磁気共鳴画像法（fMRI）と脳波検査（EEG）があります。

機能的磁気共鳴画像法（fMRI）

fMRIは、磁場と電波を利用し、血液の酸素化などに伴う信号の変化から脳活動を間接的に捉えます。通常、個々の神経細胞の電気的パルスを直接撮影するものではありません。

脳波検査（EEG）

EEGは頭皮に置いた電極で脳の電気活動を記録します。時間分解能に優れますが、信号源の位置を細胞単位で特定する方法ではありません。

リチャード・ケイトンは1875年に動物の脳の電気活動を報告しました。人間の脳波記録は1920年代のハンス・ベルガーの研究によって発展しました。これらの研究が現在の脳波計測の基礎になりました。

研究の概要

論文「適応的な線状励起による高速二光子顕微鏡法」はOpticaに掲載されました。専用の二光子蛍光顕微鏡で、細胞レベルの分解能を保ちながら神経活動の画像取得を高速化する方法を報告しています。

二光子蛍光顕微鏡

二光子蛍光顕微鏡は、蛍光指標を用いて散乱性のある組織内を観察します。今回の方法は、短い線状の光と適応的サンプリングを組み合わせ、関心領域の撮像を効率化しました。

適応的サンプリング

従来の点走査だけで試料全体を順に測る代わりに、短い線状の光で選択した領域を照らします。撮像対象に応じて光のパターンを変え、不要な領域への照射を減らします。

高分解能画像の再構成

研究者はデジタルマイクロミラーデバイスを使い、高速走査から高分解能画像を再構成する方法も開発しました。これにより神経細胞の位置など、次の撮像で対象とする領域を特定できます。

線状照明

短い線状の光は、点照明より広い領域を一度に励起して撮像できます。対象となる神経細胞に照明を絞ることで速度を高めつつ、組織に与える総光エネルギーを減らすことを目指します。

マウス脳組織での検証

研究者は生きたマウスの脳組織でカルシウム信号を撮像し、神経活動の指標として追跡しました。報告された取得速度は最大198 Hzです。カルシウム信号は活動の間接的な指標であり、膜電位そのものの直接測定とは異なります。

デジタルマイクロミラーデバイス（DMD）

DMDには個別に制御できる多数の微小ミラーがあり、レーザー光の形と照射位置を変えられます。計算アルゴリズムで画素のオン・オフを調整し、対象組織の神経細胞の構造に合わせたサンプリングを行います。

ソース – Molly M Bechtel, University of California, Davis

二光子蛍光顕微鏡の試験結果

線状励起と計算処理の組み合わせにより、個々の神経細胞の活動を分離して観察できることが示されました。従来より高速な画像取得は、短時間に変化する現象を捉えるのに役立ちます。

これはマウスでの研究結果であり、人間の脳全体の活動を完全に解明したという意味ではありません。

利点

神経細胞同士がどのように協調するかを調べるため、細胞レベルの計測は有用です。今回の装置は、その時間的な変化を追うための選択肢を広げます。

神経疾患の研究

アルツハイマー病、パーキンソン病、てんかんなどの仕組みを理解する研究に、このような画像技術が役立つ可能性があります。ただし撮像装置の開発自体が治療法を確立したわけではありません。

2060年には米国の65歳以上のアルツハイマー病患者が1,380万人に達する可能性があると推計されています。この数値は患者数の予測です。

学習と記憶の研究

学習中に神経細胞がどう活動するかを調べれば、記憶形成の仕組みに関する理解が進む可能性があります。将来の教育への応用は研究課題であり、この装置から学校のカリキュラムが直ちに決まるわけではありません。

高速な画像取得

研究では、従来の二光子顕微鏡法との比較で撮像速度を高めました。記事が紹介する約10倍という改善は測定条件や比較対象に依存するもので、fMRIやEEGを含むすべての計測法より一律に10倍速いという意味ではありません。

光による組織への負荷の低減

背景を含む全領域ではなく、関心のある神経細胞を選択して照らすことで、脳組織に与える総光エネルギーを減らせます。目的はマウス組織の光損傷リスクを抑えることであり、人間の患者で安全性を確認した研究ではありません。

資源と費用

必要な光照射や画像取得時間の削減は、実験の効率向上につながる可能性があります。ただしレーザー条件の改善だけから装置全体の費用や環境負荷が10分の1になるとは言えません。

他の方法との組み合わせ

ビーム多重化やリモートフォーカシングと組み合わせれば、さらに高速な撮像や体積画像の取得に発展させられる可能性があります。これらは今後の技術開発の方向です。

研究者

研究はカリフォルニア大学デービス校で行われ、第一著者はYunyang Li、研究責任者はWeijian Yangです。共著者にはShu Guo、Ben Mattison、Junjie Hu、Kwun Nok Mimi Manが含まれます。資金はBurroughs Wellcome Fund、米国国立科学財団、米国国立神経疾患・脳卒中研究所、米国国立眼研究所などから提供されました。

関連分野の企業

神経科学の研究技術は、半導体や医薬品など幅広い分野と関係します。以下の企業が今回の顕微鏡を採用すると発表したわけではありません。

1. BrainChip Holdings Ltd

BrainChip Holdings Ltd (BRN.AX )は、脳の情報処理に着想を得たニューロモーフィック技術を開発する企業です。単なる脳ネットワークのソフトウェアシミュレーターではなく、エッジAI向けの半導体IPやAkida技術を扱います。

同社のAkida開発環境は、対応するニューラルネットワークの構築や評価に使われます。今回の光学撮像研究とは別の技術です。

AIや機械学習への関心はBrainChipの事業機会に影響し得ます。ただし技術への注目が株価上昇や投資収益を保証するわけではありません。

2. Biogen

Biogenは、神経疾患などの治療薬を開発する米国のバイオ医薬品企業です。エーザイと共同開発したレケンビ（レカネマブ）は、アルツハイマー病に対して2023年1月にFDAの迅速承認を受け、同年7月に通常承認へ移行しました。

対象は適切に選択された早期段階の患者で、病気を治癒させる薬ではありません。開発・販売の進展と今回の顕微鏡研究への参加は別の事項であり、投資判断には業績やリスクの検討も必要です。

二光子顕微鏡が未来の可能性を示す

この顕微鏡は、マウスの神経活動を細胞レベルで高速に観察するための研究技術です。今後、学習や疾患モデルでの研究に役立つ可能性があります。思考だけで機器を操作する技術や、人間の思考の直接読み取りを実証したものではありません。

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