国防高等研究計画局DARPA 原子幅のグラフェンセンサーが、脳の構造と機能に関する前例のない洞察をもたらす可能性

OUTREACH@DARPA.MIL
10/20/2014

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アトム幅のグラフェン・センサーが、脳の構造と機能に関する前例のない知見を提供する可能性

DARPAのRE-NETプログラムにより資金提供された新技術により、光学的および電子的手法によるニューロンのモニタリングと刺激を同時に可能にする

従来の金属電極技術（左上）は不透明で、下にある神経組織の視界を妨げている。DARPAのRE-NETプログラムでは、導電性を持ちながら厚さがわずか原子4個分のグラフェン・センサーを新たに開発した（上段中央）。その薄さにより、幅広い波長域でほぼすべての光を通すことができる。このセンサーは、組織の形状に合わせた柔軟なプラスチック製の台紙の上に設置され（下）、さらに小型で透明な接点を用いて、電気的および光学的手法で神経組織を同時に測定・刺激できることを示す概念実証ツールの一部となっている（右上）。
脳の解剖学的構造と機能の解明は、神経科学における長年の目標であり、オバマ大統領の「ブレイン・イニシアチブ」の最優先事項でもある。神経細胞のシグナル伝達を電気的にモニター・刺激することは、脳機能研究の主要な手法です。一方、電子の代わりに光子を用いる新しい光学技術は、神経ネットワークの構造を可視化し、脳機能を探索する新しい可能性を切り開いています。電気的手法と光学的手法は、それぞれ異なる補完的な利点を有しており、これらを併用することで、脳を高解像度で研究する上で大きなメリットをもたらすことが期待されます。しかし、従来の金属電極は厚みがあり（500 nm以上）、光に対して透明であるため、多くの光学的アプローチと互換性がないため、これらの技術を組み合わせることは困難です。

これらの課題を克服するために、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。その詳細は、Nature Communications誌（http://www.nature.com/articles/ncomms6258）に掲載された論文で説明されています。(同論文和訳記事)

DARPAプログラムマネージャーのDoug Weberは、「この技術は、脳内の神経ネットワークの活動を可視化し、定量化するための画期的な能力の可能性を示しています」と述べています。「また、重要なこととして、これらの関係が時間とともにどのように変化するのか、あるいは損傷や病気によってどのように乱されるのかについても、これまでにない知見が得られる可能性があります」。

この新しいデバイスは、最近発見された炭素の一種であるグラフェンを、組織の形状に適合する柔軟なプラスチックの裏打ちに使用しています。このグラフェン・センサーは導電性だが、厚さはわずか原子4個分、つまり1ナノメートル以下で、現在の接点よりも数百倍も薄い。この薄さにより、幅広い波長域でほぼすべての光を透過させることができる。さらに、グラフェンは生体に対して無毒であるため、従来の透明な電気接点の研究では、厚く、硬く、製造が困難で、毒性のある金属合金に依存していましたが、この技術により改善されます。

この技術実証は、2010年にノーベル物理学賞を受賞したグラフェン、2014年にノーベル化学賞を受賞した超解像蛍光顕微鏡、そして特定の光反応性タンパク質を作り出すために細胞を遺伝子操作する光遺伝学の3つの最先端研究分野に基づいて行われます。

RE-NETは、神経インターフェースの故障メカニズムを理解し、克服するための新しいツールや技術の開発を目指しています。
DARPAは、神経ネットワークの構造と機能の関係を明らかにするための次世代神経技術の進歩に関心を寄せています。RE-NET、およびこの分野における後続のDARPAプログラムは、自由に動く被験者の神経細胞の機能、物理的な動き、動作を同時に測定することで、この新しいツールを活用することを計画しています。この技術は、プログラムされた電気や光のパルスを印加してニューロンを一時的に活性化させることにより、神経機能を調節する能力を提供するものである。そのため、本来の機能をよりよく観察できるだけでなく、回路活動を注意深く制御することで、神経信号と脳機能の因果関係を探ることも可能になります。

「これまで研究者は、神経活動と行動の因果関係を示唆はしても証明はできない相関的な研究にとどまっていました」とWeberは述べています。「今、私たちは、神経回路を直接見て、測定し、刺激して、これらの関係を探り、脳回路機能のモデルを開発し、検証する機会を得ました。この知識は、脳の損傷や病気を理解し治療するために大いに役立つことでしょう。」

RE-NETは、オバマ大統領の脳への取り組みを支援するDARPAの幅広いプログラム・ポートフォリオの一部です。これらのプログラムには、脳神経科学の応用と治療のためのセンシングシステムの製造（手の固有感覚とタッチインターフェース、電気処方）、大規模データセットの解析（心理信号の検出と計算解析）を推進するために、脳のダイナミクスに関する基本的理解を深めるための継続的な取り組みが含まれています。

参考記事

1.  神経科学の分野では、これら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り、再生医療において大きな可能性を秘めるからである。

2.  ワクチンによる磁気の発生は、グラフェン様化合物がアジュバントとして使用され、mRNAの取り込み速度を増加させた可能性にかかっている。
グラフェンも酸化グラフェンも、細胞膜を通過して十分な電気を流し、近くにあるフェリチンやマグネタイトなどの超常磁性粒子を磁化して、ワクチンを接種した人々に広範囲な磁化を引き起こすことができる。
この効果は、磁化された粒子が隣の細胞を磁化し、さらに隣の細胞の粒子を磁化することで、膜全体に野火のように広がり、磁気効果が増大する。

最終的には、免疫系に必要な白血球を含む血球そのものから始まり、静脈、心臓、肺、そして脳へと、血流を介して体のあらゆる部位に広がっていく可能性がある。

3.  酸化グラフェンの生体毒性、細胞毒性は材料の大きさ、厚さ、形状の違い、数多い化合物の存在、生体内で曝露される器官の違いを考慮しなければならない。 
さらにその電磁波吸収特性によるフリーラジカル電子放出を通じた細胞内ミトコンドリアの酸化によるアポトシス等の問題も重要なテーマである。
「酸化グラフェンの毒性評価(電磁波の影響)」 

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(神経調節)」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   グラフェンアクティブセンサーは、脳内の電気生理学的信号の検出に有望であることが示されている。その機能特性、柔軟性、安定性、生体適合性から、大規模センシング神経インターフェースの有望な構成要素であると考えられている。