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正当な科学の多く - プラスサイエンスフィクション - は「脳をハックする」方法を論じています。それは実際にはほとんどの場合 - たとえ架空の例であっても - 物理的にワイヤまたは装置を埋め込むための頭蓋骨の開け方を含みます脳の中に。
しかし、それは困難、危険、そして潜在的に致命的です。患者の頭蓋骨を開く必要なしに脳を扱うことは賢明でしょう。神経障害は一般的であり、全年齢、性別、および教育レベルおよび所得レベルのうち、世界中で10億人を超える人々が罹患している。私の神経工学チームの研究は、生物工学分野にわたる幅広い取り組みの一環として、多発性硬化症、自閉症スペクトラム障害、アルツハイマー病などのさまざまな神経機能障害の理解と緩和に向けて取り組んでいます。
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頭蓋骨の外側から脳の活動を識別し、影響を与えることで、最終的には医師は侵襲的手術なしに広範囲の衰弱性の神経系疾患や精神障害を診断し治療することが可能になるでしょう。
「治療用分子」を使用すると、記憶喪失を元に戻すことができる可能性があります。
脳内のワイヤレス接続
私のグループは、神経細胞が互いに通信する新しい方法を私たちが初めて発見したと信じています。神経は、1つの神経細胞の軸索が隣接する細胞の樹状突起に電気的および化学的信号を送信する、物理的なリンク（いわゆる「有線」接続）を介して接続することで有名です。
我々の研究は、神経細胞もまた、有線活動を使用してそれら自身の小さな電場を作り出し、そして近隣の細胞が作り出す電場を感知することによって無線で通信することを見出した。これは、より多くの神経経路の可能性を生み出し、複雑なタスクの実行中になぜ脳のさまざまな部分がこんなに早くつながるのかを説明するのに役立ちます。
私たちは頭蓋骨の外側からこれらの電界を監視し、効果的に神経伝達を監視することができました。多発性硬化症によって損傷を受けた神経の代替的で健康的な関係を見つけること、または自閉症スペクトラム障害による神経活動のバランスを取り戻すこと、または特定のパターンで発火する神経細胞を刺激すること。
具体的には、脳内の絶縁された、または髄鞘形成された神経線維が活動的であり、活動電位として知られるその長さに沿って信号を送ると、その長さに沿った特別な領域が非常に小さな電場を生成する。 Ranvierのノードと呼ばれる、これが発生するセルラー領域は、電気信号を送受信できる小型アンテナのように機能します。
ミエリン鞘またはランヴィエ結節の2つの高度に特殊化された構造が破壊されると、神経機能障害が起こるだけでなく、周囲の電場も変化します。
神経を聞く
技術的な課題は、聴くために脳の特定の部分を正確にターゲットにすることです。この装置は、人間の髪の毛の直径、脳内の数センチメートルの深さの領域から信号を受信する必要があります。
1つの方法は、頭蓋骨の上に少数の柔軟なアンテナパッチを置いて「ブレインレンズ」と呼ぶものを作成することです。いくつかのパッチからの測定値を比較すると、聴取する神経を正確に電子的にターゲティングできます。私たちはメタマテリアル - 分子レベルで設計されたマテリアル - を設計し実験しています。それは非常に特定の場所から信号を受信するように調整することができる高精度アンテナとして役立つのが特に得意です。
痛みはありませんが、潜在的に大きな利益
神経間の無線通信を監視することで、電界が問題を示している脳の領域を特定できます。神経の活動の詳細な特性、または活動の欠如は、どのような特定の問題が脳内で起こっているかについての手がかりを提供することができます。これらの知見は、現在の方法よりはるかに簡単に潜在的な病状を診断するのを助けることができました。
例えば、ある患者の実際の症例を見てみましょう。38歳の女性が、私たちが「ビアンカ」と呼ぶでしょう。彼は、多発性硬化症、脳の変性疾患、そして知られていない治療法と診断されています。多発性硬化症患者の免疫系はランヴィエ結節の間のミエリン鞘を損傷し、脳と体の他の部分との間にコミュニケーションの問題を引き起こします。この損傷は影響を受けた神経の活動を根本的に変えます。
彼女の病気の進行をモニターするために、Biancaは彼女の髄液がMSに関連した高レベルの特定の抗体を持っているかどうかを見るために脊髄タップをしました。彼女はまた、ミエリンが損傷を受けている自分の脳の領域を明らかにするためにMRIスキャンを受けており、情報が彼女の神経系をどのくらい速く流れるかを決定するための追加の試験に直面するでしょう。
脳レンズ装置を使用すると、痛みを伴う脊椎穿刺や、不快で時間のかかるMRIやCTスキャンを行わずに、医師はBiancaの脳をモニターできます。いつかBiancaが彼女自身の脳を監視し、評価のために彼女の専門家にデータを送ることを可能にするかもしれません。
薬と手術なしの治療
さらに、私たちは私たちのアプローチが患者にとってもより簡単な新しい治療法につながることを願っています。現時点では、ビアンカは重大な健康上のリスクを伴い、しばしば彼女を吐き気と疲れを感じさせるいくつかの薬を服用しています。彼女はさまざまな治療法の選択肢を試したいと思う多くの人のうちの一人です。
この研究は電場が不健康な状態を示している彼女の脳の領域を特定することを超えて行くことを計画しています。損傷または中断された領域の周りに信号を送るコンピュータネットワーク管理および高度なデジタルネットワークに触発されて、我々は頭皮パッチシステムが同様に脳にメッセージを送ることができる方法を開発しています。
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損傷を受けた各神経線維は一般に、隣接する神経線維が典型的には健康である神経線維の管に詰め込まれた数千のうちの１つである。私たちの装置は、ミエリン損傷のある部位を特定し、損傷箇所の前にそれらの神経線維を追跡して、それらの乱されていない信号を拾うのに役立ちます。それから、脳のレンズを使って相補的な電場を脳に送り、その健康な信号をミエリン損傷の周りの領域に送り、隣接する神経線維に損傷を受けた線維ができないメッセージを伝えるよう促します。
これまで、脳神経パラメータが臨床研究室によって提供されてきたスーパーコンピューティング環境でこのアプローチをシミュレートすることができました。今後数ヶ月のうちに、私たちはブレインレンズの試作品を製作しテストします。脳に耳を傾け、それと通信することは、外科的診断なしに医学的診断および治療のための魅力的な新しい一連の可能性を提供する。
この記事はもともとSalvatore Domenic MorgeraによるThe Conversationに掲載されたものです。ここで元の記事を読んでください。