統合ニューロフォトニクスと呼ばれる新しいアプローチにより、研究者は特定の脳回路を構成するすべてのニューロンの活動を追跡することができるようになる。

脳の理解を深めるため、神経科学者は感覚情報の処理や新しい記憶の形成などのタスクを担当する神経回路を、詳細にマッピングする必要がある。現在、カリフォルニア工科大学の研究者チームは、特定の脳回路内の数千から数百万のニューロンのすべての活動をリアルタイムで観察することができる可能性のある、新しいアプローチについて説明している。10月14日に雑誌 Neuronに掲載された論文”Perspective”で論じられたこの斬新な手法は、現在のどのアプローチよりもはるかに大きな可能性を秘めていると著者らは述べている。

”統合ニューロフォトニクス” と名付けられたこの新技術は、脳内の任意の深さに埋め込むことができる小さな光学マイクロチップのアレイを、蛍光分子レポーターとオプトジェニックアクチュエータと組み合わせて使用し、それぞれニューロンを光学的に監視してニューロンの活動を制御する。アレイはマイクロスケールの光ビームを放出し、遺伝子組み換えされたニューロンの周囲を刺激すると同時に、これらの細胞の活動を記録し、その機能を明らかにする。この研究は現在、動物モデルでしか行われていないが、人間の脳の奥深くにある回路を解明するのに役立つ日が来るかもしれないと、この論文の研究責任者であり、カリフォルニア工科大学の Frank J. Roshek教授（物理学、応用物理学、生物工学）である Michael Roukes氏は言う。

「深度での高密度な記録が鍵となります」と Roukes氏は語る。「脳の活動をすべて記録することはすぐにはできないでしょう。しかし、特定の脳領域内の重要な計算構造の一部に焦点を当てることはできないでしょうか？それが私たちのモチベーションなのです」と続けた。

近年、神経科学者たちは、げっ歯類を含むモデル動物の神経細胞群を研究するため、オプトジェネティクスを利用し始めている。視能遺伝学では、神経細胞を遺伝子操作して、緑色蛍光タンパク質（GFP）などの特定のタンパク質マーカーを発現させる。GFPの存在は、青色光を照射すると細胞を緑色に輝かせ、神経活動の視覚的指標となる。これらのマーカーとセンサー分子を融合させることで、研究者はこの蛍光を調節することで、局所的な活動をシグナル化するニューロンを作製することができる。オプトジェネティクスは、ニューロンの電気的活動を測定するために埋め込まれた電極に頼っている神経科学研究に内在するいくつかの問題を解決する。脳は通信に光を使用しないため、オプトジェネティクスは、これらのニューロンの信号を大量に追跡することを容易にする。

しかし、現在の脳のオプトジェニック研究は、物理的な制限が大きいために制約を受けていると、カリフォルニア工科大学の上級研究員でこの論文の主著者である Laurent Moreaux氏は言う。脳組織は光を散乱させたり吸収したりする性質を持っているため、外部から差し込んだ光は脳内を短距離でしか移動できない。したがって、脳の表面から約2ミリ以下の領域しか光学的に調べることができないのだ。このため、最もよく研究されている脳回路は、マウスの感覚野のように感覚情報を伝達する単純な回路であり、表面近くに位置しているのが一般的である。つまり、現在のところ、視能遺伝学の手法では、高次の認知過程や学習過程を含め、脳の奥深くにある回路を容易に解明することはできないのである。

Roukes氏らによると、統合ニューロフォトニクスは、この問題を回避することができるという。この技術では、完全なイメージングシステムのマイクロスケールの要素を、記憶形成に関与する海馬や認知を司る線条体など、脳の奥深くにある複雑な神経回路の近くに、前例のない解像度で移植する。現在、脳全体の画像化に用いられている機能的磁気共鳴画像法（fMRI）と同様の技術を考えてみよう。fMRIの各ボクセル（3次元のピクセル）の体積は約1立方ミリメートルで、約10万個のニューロンが含まれている。したがって、各ボクセルは、この10万個の細胞の平均的な代謝活動を表しているのだ。

「統合されたニューロフォトニクスの包括的な目標は、10万個のコレクションの中の各ニューロンが何をしているかをリアルタイムで記録することです」と Roukes氏は語る。

Roukes氏の長期的な目標は、統合ニューロフォトニクスの先進的な装置を普及させ、この新しい技術を用いた先進的な神経科学研究を開拓するための複数機関の共同研究を可能にすることだ。以前は、この種の神経技術の開発は、ほとんどが単一の研究室や研究者が主導する研究に依存していたと彼は言う。2011年から、Roukes氏は他の5人の科学者とホワイトハウスの科学技術政策局と協力して、最終的にはオバマ政権時代に立ち上げられた「米国BRAINイニシアチブ（革新的な神経技術の進歩を通じた脳研究）」を急ピッチでスタートさせた。彼らのビジョンは、国際望遠鏡共同研究や LIGO-Virgo共同研究による重力波発見などのハードウェア開発プロジェクトに代表されるように、物理科学で見られる大規模なパートナーシップのような神経科学研究を実現することだった。現在、統合されたニューロホトニクスは、このような装置構築のためのチームワークの扉を開いていると Roukes氏は述べる。

「我々のようなアプローチのための構成要素の多くは、10年以上前から存在していたのです」と彼は語る。「しかし、最近まで、神経科学のための強力な新しいツールを実現するために、それらをすべてまとめるためのビジョンや意志、そして資金調達を得られなかったのです。」と続けている。

本研究の論文のタイトルは、”Integrated Neurophotonics: 脳回路の活動を深さとリアルタイムで高密度の体積計測に向けて”と題されている。カリフォルニア工科大学の Wesley D. Sacher氏（元 Kavli Nanoscience Institute Prizeポスドク研究員）、元カリフォルニア工科大学のポスドク研究員である Nicole J. Kubat氏が共同執筆者として参加している。この研究は、国立衛生研究所 BRAINイニシアチブ助成金、国防高等研究計画庁、国立科学財団、カブリ財団からの資金提供を受けており、さらに14の機関からの共同研究者が参加している。

筆者：Andrew Moseman

【原典】A Method to Map Brain Circuits in Real Time（15 OCT 2020 ）

URL:https://www.caltech.edu/about/news/integrated-neurophotonics-brain-circuits-neuron-michael-roukes