- Rice Universityの研究チームは、磁場を電場に変換する磁気電気材料を用いて、遠隔でのニューロン刺激と、マウスの切断された坐骨神経の接続を実験した
- 新素材は既存の類似素材より120倍高速な変換を示し、ニューロンが反応しにくかった信号の形状と周波数の問題を狙っている
- 構造はlead zirconium titanateの圧電層とMetglasの磁歪層をベースに、非線形電気信号を作るためplatinum、hafnium oxide、zinc oxideを積層している
- 装置全体を小型化するには200nm未満の薄層を作る工程が必要で、長期的には狙った位置に注入可能な形態を目指している
- このアプローチは神経刺激治療の侵襲性を下げられる可能性があり、センシング・メモリ・エレクトロニクスなど生体電子工学以外の応用にもつながりうる
磁気電気材料で神経を遠隔刺激
- 磁気電気材料は磁場を電場に変換できるため、神経組織を最小侵襲で刺激する治療候補として注目されてきた
- 従来素材の限界は、変換された電気信号の形状と周波数がニューロンにとって反応しにくいものだった点にある
- Rice UniversityのJacob Robinson研究チームは、この問題を狙った新しい磁気電気材料を設計した
- Nature Materialsに掲載された研究によれば、この素材はニューロンを遠隔から精密に刺激できる
- マウスモデルで切断された坐骨神経の間隙をつなぐために使われた
- 類似素材より磁気-電気変換を120倍高速に行う
埋め込み装置より侵襲の低い神経刺激を目指す
- Robinsonは、この素材の特性と性能が神経刺激治療に大きな影響を与えうると見ている
- 従来のように神経刺激装置を埋め込む代わりに、ごく少量の素材を狙った部位に注入する方式が可能になるかもしれない
- Joshua Chenは、体内に「ほこり」のように小さい、あるいはごく少量を入れるだけで脳や神経系を刺激できる素材という問いから出発した
- 磁場は体内へ容易に浸透し、磁気電気材料はそれを神経系が情報伝達に使う電場へ変換できる
素材構造と動作原理
- 研究チームは、lead zirconium titanateの圧電層を2つのMetglas磁歪層の間に挟んだ磁気電気材料から出発した
- Metglasは高速に磁化・消磁できる金属ガラス合金である
- 磁場が加わると磁歪要素が振動して形状を変え、圧電材料はその変形から電気を生成する
- この2つの素材を組み合わせることで、体外から加えた磁場を電場へ変換できる
ニューロンが反応できる非線形信号
- 既存の磁気電気材料は、電場と磁場の関係が線形である
- 研究チームに必要だったのは、ニューロンが実際に反応できる電気信号を作る非線形関係だった
- そのため、既存の磁気電気フィルムの上に次の素材を積層した
- platinum
- hafnium oxide
- zinc oxide
- 素材間で互換性のある製造技術を見つけることが課題だった
- Robinsonは、特別な特性を生み出す200nm未満の薄層を作るのに多くの作業が必要だったと述べている
- Bhaveは、この工程によって装置全体のサイズを縮小し、将来的に注入可能な形態へつなげられると見ている
マウス末梢神経実験と神経補綴の可能性
- 概念実証実験で、研究チームはこの素材を使ってマウスの末梢神経を刺激した
- 切断された神経で機能を回復できることを示し、神経補綴への応用可能性を示した
- Chenは、このメタマテリアルが切れた神経の間隙をつなぎ、高速な電気信号の速度を回復するために使えると説明している
- 研究チームは、この素材設計フレームワークが神経技術のさまざまな問題を超える新たなメタマテリアル設計につながったと見ている
- 同じ設計手法は、エレクトロニクスにおけるセンシングやメモリといった他の応用にも適用できる
研究論文と支援
- 論文タイトルは「Self-rectifying magnetoelectric metamaterials for remote neural stimulation and motor function restoration」である
- 掲載誌はNature Materialsで、DOIは10.1038/s41563-023-01680-4である
- 著者はJoshua Chen、Gauri Bhave、Fatima Alrashdan、Abdeali Dhuliyawalla、Katie Hogan、Antonios Mikos、Jacob Robinsonである
- 研究はNational Science FoundationとNational Institutes of Healthの支援を受けた
1件のコメント
Hacker News のコメント
脊髄損傷の患者を知っている立場としては、市場に出るまで20年はかかる革新が繰り返され続けるのは、かなり残酷に感じる
どう直せばいいのかは分からないが、難治性疾患を抱える側からすると、こうした慣行は生活に直接悪影響を与え、大きな恐怖ももたらす。それでもHNでこういう話をすると、低評価を受け、攻撃され、たわごと扱いされることが多く、ほとんど諦めている
知人が経験していることについては気の毒に思う
皆には神経系を大事にしてほしい
研究費や関心がほとんどない、人生を変えてしまう病気など、将来の見通しがもっと暗いものも多い
それでも、いま苦しんでいる人たちにとって長い待ち時間がひどいものなのは確か
医療関係者ではないのだが、これは正確にはどれほどすごいことなのか説明してもらえるだろうか？
脊髄修復レベルなのか、それとも単なる神経切断の修復程度なのかが気になる
より低侵襲な神経刺激治療を可能にするかもしれないが、効果がより良くなるかは分からない
すべてのニューロンが再び成長したり、本来あるべき位置に戻ったりするわけではないから
バイクに乗っていた友人が橋の欄干にぶつかり、右肩の神経が切れて、腕の感覚もなく動かすこともできない
そういうものを治せるなら、当事者にとっては途方もないことだ
たとえば糖尿病患者も該当し、この技術は多くの人生を改善しうる
正しく理解しているなら、これは神経-デジタル変換とデジタル-神経変換を可能にするもののように思える
だとすれば、まもなく身体をロボットの身体に置き換えられるようになるということだ
残る問題は、脳を水槽の中で生かし続ける方法と、生命維持装置を体内に入るほど小さくすることだ
血液を循環させ、二酸化炭素を除去し、酸素とグルコースを供給すればよいので、おそらくそれほど難しくはなさそうで、脳を無期限に生かせるかもしれない
「脳を無期限に生かせる」「それほど難しくない」と言うには、まずなぜ85歳以上の人口の3分の1から半分がアルツハイマー病・パーキンソン病・認知症を患うのかを見るべきだ
ソフトウェア開発者はこうした問題を単純かつ楽観的に見すぎる傾向があり、人間の身体はその説明が示唆するよりはるかに複雑だ
これが切断された神経損傷に苦しむ人たちを助けたり、手足のない人に動作と触覚センサーを備えたより良い義肢を実現するために使われたりすることを望む
個人的には、人間とコンピュータの相互作用の改善にも大いに関心がある
できれば手術なし、または極めて非侵襲的で速い方法だとよい
2日に1回くらいHNに、Redditには何百件も、がんやAIDSを確実に治療するという投稿が上がっている状況ではなおさらだ
人間の身体は1,500ドル未満で時速900km、25時間かけて地球の反対側まで運べるのに、その1,000倍の費用と1,000倍の時間をかけても脳と足の間の距離をつなげないというのは、いつも釣り合わないように見えていた
いまや各ポートがもともと接続されていたポートへ再びつながるよう、すべてをつなぎ直さなければならない
しかもそのケーブルは顕微鏡的な大きさで、非常にもろく、実際にどう修理すればいいのかも分かっていない
実質的には、元の場所で再び生えてくれることを願う程度だ
むしろ自然に見える
精度はいつだって難しい
ほとんどの人にとって、ボールを10m蹴るよりも、1m離れた1mmの点を正確に当てるほうが難しい
砂の山を100m動かすほうが、周囲の粒に触れずに砂粒1つを正確に1cm動かすより簡単だ
飛行機は人間が第一原理から設計したものであり、私たちは発明品を文書化し、その原理を理解するのが得意だ
しかし生物学的システムと接続する物を作るのは、まったく別の問題だ
異星人の技術をリバースエンジニアリングするようなもので、私たちの文明が設計したわけではない極度に複雑なものを、さかのぼって理解しなければならない
あまりに複雑なため、他分野の進歩によって意味のある探りを入れる道具が作られたのも比較的最近のことだ
私たちは常に、少なくとも古代エジプト以降は、物理学よりも数学を多く知っており、化学よりも物理学を多く知っており、自分たちの身体よりも化学を多く知っていた
利用可能な技術もその差を反映している
近未来SFでこのような技術を使えば、実験室で育てた新しい脊椎を移植できるようになるのだろうか？
「CTRL-Labsの目標の一部は、追加の指を制御するモデルを訓練するような、かなり奇妙なものだ」
https://www.theverge.com/2018/6/6/17433516/ctrl-labs-brain-c...
本来は制御できないものを制御できるように、神経を増強したり交差接続したりできるのだろうか？
例えば、望むときにホルモンを分泌してアドレナリンを出したり、落ち着いたりできるとしたらどうだろう？
読んだところでは、脊椎にも基本的な反応・思考能力があり、人間が作れる水準を超えているかもしれない
麻痺患者にとっては大きな希望だ
ただし、あまりに高額で数人の百万長者しか使えない技術にならないことを願う
大学が自ら出す発表、例えばrice.eduが大きなブレークスルーを発表するような記事は、インセンティブが歪みすぎていて、今ではほとんどクリックベイトのように感じる
研究者は論文と研究費のために成果を誇張し、大学は学生や投資家を引き寄せるためにその成果をさらに誇張する
他の人も同じように感じているのか、それとも自分が冷笑的になりすぎているのか気になる
学術報道は難しく、報われることも少ない仕事だ
冷笑的に見なければ、研究者の仕事の半分は成果を他の研究者や一般の人々に広めることだ
怒りをあおるニュースがテレビや「主流ニュース」サイトのトップを支配するよりは、多少誇張されていても、盛り上がった大学発表のほうがましだと思う
真面目な研究者なら、最終的には実際の査読済み資料に戻ればよい
記事にもリンクがあり、原文はこちら: https://www.nature.com/articles/s41563-023-01680-4
PDFはこちら: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.24.477527v2....
この分野を周辺的に知っている立場として、圧電・磁歪素子と神経刺激・記録について少し知っているが、DCバイアスを作れる磁歪材料は見たことがない
さらに、神経刺激のために素子を非共振モードで駆動するのも新しく感じる
1,000フィート先から眺めている程度だが、かなり興味深く、この記事は誇張に見合う内容を含んだ効果的な報道だと思う
社会学について私たちが知っていることの相当部分が偽物かもしれず、人種・性・ジェンダーに関する進歩的な考え方の大きな土台がそこにあるのだとすれば、大きな問題だ
少なくとも、この状況と大きく違うようには見えない
Neural laceはいつ頃出てくるのだろう？
その潜在力が非常に大きく魅力的なのは理解できるが、私はそういう製品の初期ユーザーにはなりたくない