超音波チップが脳コンピューターインターフェースに革命をもたらす：非侵襲的インプラントに一歩近づく

2023年、脳コンピューターインターフェース（BCI）技術は依然として急速な発展の年を迎えました。

脳信号を解読して外部機器を制御できる成果はすでにいくつかあり、外部機器を通じて脳信号を変更できる成果もあります。 Neuralink、Paradromics、Synchron などの一部の BCI 開発企業は、ヒト臨床試験段階に入ることを望んでいます。

今年5月、Neuralinkは米国食品医薬品局（FDA）からヒト臨床試験の承認を受けた。 9月、Neuralinkは脳コンピューターインターフェースに関する初の人間実験を発表し、関連する開発は大きな注目を集めました。ブルームバーグはその後、ニューラリンクが来年、臨床ボランティアに脳コンピューターインターフェースデバイスを埋め込む手術を11回実施する予定だと報じた。

2022年12月、マスク氏はニューラリンクの発表会で「思考でタイピング」できる実験用のサルを披露した。

しかし現在、フォレスト・ニューロテックとバタフライ・ネットワークの研究者らは、まったく異なる媒体である超音波を使用する脳コンピューター・インターフェース・デバイスの開発に協力していると発表した。

今年10月、フォレスト・ニューロテックとバタフライ・ネットワークは、超音波ベースの脳コンピューター・インターフェースの研究を促進するために2,000万ドルの共同投資を発表した。 Forest Neurotech は、学術研究で使用するための低侵襲性超音波 BCI デバイスの開発を目的として、Butterfly Network から超音波チップの技術のライセンスを取得します。

ほとんどの BCI システムでは、一般的に脳の活動を測定する媒体として電気信号が使用され、一部の電気信号は脳を刺激するためにも使用されます。フォレスト社が発表したデバイスは、一般的に使用されている電気信号の代わりに超音波を使用して脳と相互作用します。

この成果の根底にある考え方は、次の原理に基づいています。直接焦点式超音波 (FUS) は、脳細胞が互いに通信するために使用するイオン電流であるニューロンの活動電位を変化させることができます。超音波は、ドップラー効果による局所的な血流の変化を測定することで脳領域内の神経活動を推定するためにも使用できます。この技術は機能的超音波画像法 (fUSI) として知られています。

ユタアレイは、脳内で強い拒絶反応を引き起こす可能性がある、従来の埋め込み型脳コンピューターインターフェースです。

フォレスト・ニューロテックの最高技術責任者ウィリアム・ビーダーマン氏は、バタフライの技術により、同チームは「サブミリメートルの精度」で動作する脳コンピューターインターフェースを構築できるようになり、これをユーザーの頭蓋骨に埋め込むと、超音波を使って脳の活動を刺激し記録すると語った。

BCI の媒体として超音波を選択する理由は何ですか?他の神経刺激技術や画像技術と比較すると、神経刺激の点では、集束超音波は頭蓋骨の外側から脳の特定の領域に的を絞った操作を柔軟に実行できますが、電気信号刺激の空間範囲は比較的限られています。脳のより深い部分を電流で刺激するには、関連する部分の近くに電極を配置するための開頭手術が必要です。深く埋め込まれた電極に加えて、頭皮に電極を置いて脳内の電気信号を記録することもできますが、この方法では表面に近い脳領域の活動しか記録できません。超音波はまだ頭蓋骨を貫通して深部の神経活動を記録することはできませんが、頭蓋骨の一部を取り除き、装置を脳の表面に置くことで記録が可能になります。

Butterfly が開発した超音波ハードウェアは、大規模な臨床用超音波システムの音声生成、制御、および記録機能を 1 つのチップサイズのデバイスに統合しています。フォレスト氏は、これらの超音波チップを基に、標的を絞った集中超音波で脳を刺激し、fUSI を使用して神経活動を測定することを計画しています。

バタフライ ネットワークの超音波チップ図、https://www.youtube.com/watch?v=B1g-qvH9RgY より

fUSI は、血液の変化を測定して神経活動の変化を推定する技術です。すべての細胞と同様に、ニューロンにも血液供給が必要です。神経活動が増加すると、血流も増加します。 fUSI テクノロジーの原理は、ニューロンが活動している脳の領域に超音波を送り、跳ね返ってきた波を記録して血流を測定することです。音波が流れる血液に反射すると、戻ってきた音波は、発せられたときとは異なる周波数で振動します。 fUSI 技術は、ドップラー周波数シフト現象に基づいて血流の変化を推定し、それによってニューロンの電気化学的反応を間接的に推定します。

「機能的超音波を使用して神経活動の血液画像を生成する方法は、最初に提案されたときに誰もが予想していたよりもはるかにうまく機能した」と、カリフォルニア工科大学の教授でフォレスト・ニューロテックの顧問を務めるミハイル・シャピロ氏は語った。

超音波は神経活動を記録し、制御することができます。超音波が神経活動を制御できることは少なくとも1950年代から知られていましたが、科学者たちは超音波がどのようにしてニューロンを発火させるのか正確にはわかっていませんでした。最近、科学者たちは超音波を使ってげっ歯類の脳組織を分離する実験で新たな進歩を遂げた。実験により、高周波音波が特定のカルシウムイオンチャネルを開くように見えることが示されていますが、これがどのように起こるのかは謎のままです。

BCI刺激と記録を同時に行うには、フォレストが開発したシステムでは、ユーザーの頭蓋骨に複数のバタフライ超音波チップを埋め込む必要があります。超音波刺激は骨に効果的に浸透できますが、FUSI 記録技術ではまだ完全に浸透することはできません。音は頭蓋骨を通過する際に減衰し、さらに頭蓋外に出て戻ってくる際の減衰も加わるため、完全に非侵襲的な超音波記録システムを実現することは不可能です。そこでフォレスト氏は、センサーを頭蓋骨の中に、脳を覆う保護膜である硬膜の表面と同じ高さに配置する計画を立てている。

Forest Neurotech と Butterfly Network のコラボレーションは、Butterfly Network の「Butterfly Garden」プロジェクトの一環です。このプログラムは、医療機器チームに技術サポートを提供するために設計されています。 2011 年に設立された Butterfly Network は、超音波画像を手頃な価格で使いやすく、世界中でアクセス可能でインテリジェントに接続されたものにし、高品質の医療画像を誰もが利用できるようにすることを使命とする革新的なデジタル ヘルス企業です。

Forest Neurotech は非営利団体 Convergent Research の一部であり、臨床機器の製造や販売ではなく、技術開発のみに重点を置いています。 「当非営利研究組織の存続期間中、FDA に申請する予定はありません」と、フォレスト ニューロテックの最高技術責任者であるビーダーマン氏は述べた。「超音波脳コンピューター インターフェースの技術と基礎科学における新たな発見を進歩させるために、私たちは懸命に取り組んでいます。」技術が新たな進歩を遂げれば、フォレストは製品開発と技術の進歩を促進するために、学界やその他の産業研究機関にその技術を提供する予定である。