ワイヤレスでマウスの脳を操作、光遺伝学にブレークスルー

ワイヤレスでマウスの脳を操作、光遺伝学にブレークスルー 1

心や行動の仕組みの研究が一気にはかどりそう。

ニューロンに光をあてることで脳を直接操る、光遺伝学という分野が今急速に進んでいます。脳のねらった部分を刺激できることで、たとえばうつの改善に役立ったり、記憶を消したり、回復させたりといったいろんな研究に利用されているんです。2010年には、画期的な研究手法を表彰するNature Methodsの「メソッド・オブ・ザ・イヤー」に選ばれました。

その光遺伝学の進歩を強力に後押ししそうな研究について、スタンフォード大学のAda Poon准教授がIEEE Spectrumで解説しています。Poon氏によれば、現在の光遺伝学の大きなネックになっているのは、マウスの動きを邪魔せずに脳に光をあてる方法がなかったことです。

現在よくみられる方法は、マウスの頭にLEDを埋め込み、そこに電気を送るコードをつないだものです。つまり光遺伝学の実験では、マウスは何かしら電源までコードでつながっている必要があり、動きが制限されていました。かといってバッテリーも大きすぎて使えませんでした。

ワイヤレス給電の手法も使われていますが、その場合はマウスの頭に給電用の装置をのっける必要があり、マウスにとってはそこそこ邪魔だし、Poon氏によると「他のマウスとの間の普通の社会的対話を妨げる可能性がある」らしいです。マウス界でも「あいつ変なものかぶってるから付き合いたくないな」みたいなのがあるのかもしれません。

そこでPoon氏の研究チームが編み出したのがこしょう粒ほどの装置を脳に埋め込んだマウスを、特殊なケージに入れる仕組みです。まずマウスに埋め込む装置は体積が10立方ミリメートル、重さ20ミリグラムと、Poon氏いわく「従来の装置の1%ほど」のサイズです。その装置がワイヤレスで電気を受け取り、そのエネルギーでLEDを光らせて、ニューロンを刺激するんです。



どうしてそんな小さな装置で機能するのかっていうと、ミソはケージの仕組みにあります。マウスのケージは二層構造になっていて、上はマウスを入れる部分、下は「共鳴チャンバー」です。それらの間にはハチの巣状に穴の空いた仕切りがあり、マウスはその上を歩きます。



この仕組みについて、Poon氏はこう説明しています。

あらゆる物体は、一定の周波数の電磁波にあたると自然に共鳴します。その周波数は物体の形状と、素材の性質によって決まります。(中略)研究チームはマウスの体をモデル化するプログラムを使い、マウスの体型と組織の性質を入力し、シミュレーターで実験用マウスの共鳴周波数を導き出しました。次に共鳴チャンバーを作り、無線周波エネルギーを共鳴周波数(約1.5GHz)に増幅して保持させました。チャンバーをケージの下に置き、市販の無線周波信号発生器をつなげました。(略)

マウスが歩いてグリッド(訳注:ハチの巣状の仕切り)に触れると、その体は流れる電波に同調するアンテナとなります。マウスの体はグリッドの下に保持された無線周波エネルギーの周波数に共鳴するので、エネルギーはチャンバーを抜け出し、電磁場がマウスの体を移動したのです。それが脳とLEDデバイスに到達すると、2mmのコイルに捉えられ、エネルギーが凝縮されてデバイスの電源となります。

つまりマウスの体も装置の一部として利用した、クレバーな仕組みみたいです。使われている材料や装置は市販のものばかりで、コストも低く抑えられています。これを使えば、マウスはケージの中を自由に動き回ることができ、光遺伝学実験の可能性が大きく広がります。

しかもPoon氏は、この仕組みを商品化して他の研究者からお金をせしめようみたいなケチなことは考えていません。マウスの頭に埋め込む装置も、マウスを入れるケージも、詳細な作り方を動画付きで公開しているんです。



Poon氏はこの技術の広がりについてこんな希望を語っています。

この使いやすさによって、他の研究者が我々のデバイスをそれぞれのニーズに合わせて応用してくれることを期待します。我々の現在の手法は、共鳴周波数特定のモデルが小動物用になっていますが、同様のアプローチはラットやより大きな動物にも有効になりえます。この装置を異なる環境ごとに用意したり、複数のマウスがそれぞれLEDインプラントを脳の中で光らせながら行なう研究用にカスタマイズしたりといったことも考えられます。

Poon氏の研究室では現在、アルツハイマー病初期における記憶喪失の仕組みの研究にこれを使っているそうですが、他の光遺伝学を活用する研究機関でも、たとえば脳刺激による行動変化の研究や、パーキンソン病や視覚障害といった脳の異常の治療法開発など、さまざまな研究が進んでいます。Poon氏の編み出した手法によって、脳や心、行動のメカニズムや、それらの異常を治療する方法の解明がますます加速していきそうです。

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source: IEEE, YouTube(1, 2, 3, 4
参考: 理化学研究所, Science Daily, Nature, Scientific American

(福田ミホ)