「アバター」の脳-脳インターフェースの性能は2～3桁向上した

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異物制御を実現できる「脳-脳インターフェース」技術（BtBI）は、ますます成熟しつつあります。

2020年3月20日、清華大学北京生命科学研究所/生物医学研究所の羅敏敏研究室は、中国の生命科学分野で最高レベルの学術誌である国際的に有名な雑誌「SCIENCE CHINA Life Sciences」に「光学的な脳間インターフェースが、正確な移動制御のための迅速な情報伝達をサポートする」と題する論文を発表しました。

本論文では、光ファイバー記録と光遺伝学的活性化技術を用いて光脳-脳インターフェースを構築し、2匹のマウス間で高い情報転送速度で動作情報伝送を実現し、個体間で動物の動作を精密に制御する脳-脳インターフェースの可能性を原理的に検証したことを紹介した。

光学的な脳間インターフェースにより、高速な情報転送が可能になり、正確な動作制御が可能になります。

SF映画「アバター」を見た人は、脳-脳インターフェースの概念について何らかの印象を持っているかもしれません。この映画では、地球上の人間が、直接の脳から脳への情報伝達を通じて、パンドラの遺伝子操作された青いヒューマノイド、ナヴィを遠隔操作できる。

一般的に、人間と他の動物とのコミュニケーションは視覚、聴覚、嗅覚、触覚に依存していますが、実際には脳-脳インターフェースによって生物の脳間で直接的な情報伝達も実現できます。しかし、現在の技術的な制限により、情報伝達速度は非常に低く、これが脳-脳インターフェース技術の発展を制限する大きなボトルネックにもなっています。

さらに、羅敏敏研究室は最近、脳幹の不確核（NI）でニューロメジンB（NMB）を発現するニューロンの一種が、運動速度、覚醒、空間記憶に関連する海馬シータ波を制御できることを発見しました。関連論文は、2020年1月14日にNature Communications誌に掲載されました。

簡単に言えば、NI 内の NMB 発現ニューロンの活動は、移動速度を正確に予測し、制御することができます。下の図に示すように、NI で NMB を発現するニューロンの活動は、動物の移動速度、覚醒レベル、海馬のシータ波と正の相関関係にあります。

今回、研究チームは上記の研究成果を基に、2匹のマウス（「マスター」制御マウスと「アバター」マウス）間の移動速度に関する情報を伝送する光脳-脳インターフェースを設計し、高い情報伝送速度で動物間の移動を正確かつリアルタイムに制御することを実現しました。

具体的なプロセスは以下のとおりです。

移動速度パラメータは、アバターマウスのNIのNMB発現ニューロンから抽出されました。
対照ラットのNIからのCa2+（カルシウムイオン）信号は、サポートベクターマシン（SVM、データに対してバイナリ分類を実行する一般化線形分類器の一種）でトレーニングされたモデルを使用して、リアルタイムで光学的に記録されました。
これは、アバターマウスの NI のパターン化された光遺伝学的刺激に変換され、アバターマウスがコントロールマウスの動きを厳密に模倣するように誘導することに成功しました。

注目すべきは、このプロセスの情報伝送速度が 4.1 ビット/秒に達し、これは電気生理学に基づく脳-脳インターフェースの情報伝送速度よりも 2 ～ 3 桁高いということです。

[マウスとアバターマウス間の情報伝達速度を制御する]

さらに研究チームは、脳間インターフェースの情報伝達速度を向上させるには、適切な神経回路と記録・刺激ツールを選択することが重要だとも強調した。研究チームは、一方では研究者らが運動速度パラメータを抽出すべくNIでNMBを発現するニューロンを使用し、他方ではその変化を記録するために光ファイバー記録システムを使用することを選択したため、この実験で最終的により高い情報伝達率が達成されたと考えています。

ブレイン・ブレイン・インターフェースについて

近年、私たちはみな、「脳コンピューターインターフェース」の進歩について多かれ少なかれ耳にしている。 2017年、テスラのCEO、スペースXのCEO兼CTO、ソーラーシティの会長を務めるイーロン・マスク氏が、脳コンピューターインターフェース企業Neuralinkを設立しました。この分野では、さまざまな国の研究チームが頻繁に私たちの理解を刷新しています。2020年1月16日、浙江大学は、中国初の埋め込み型脳コンピューターインターフェースの臨床研究が成功したと発表しました。

それに比べると、脳-脳インターフェースは一般の人々にとってまだ比較的遠い存在であると言えます。

Leifeng.com は、脳対脳インターフェースは、ソース脳の神経活動から有用な情報を取得するデコーダーと、ソース情報をターゲット脳の神経活動の適切な変化に変換するエンコーダーの 2 つの部分で構成されていることを知りました。

実際、2013年にはすでに科学者たちは、脳-脳インターフェースによって生物学的脳間で直接的な情報伝達が可能になるかもしれないと提唱していました。当時、科学者たちは、ソース脳から取得した電気生理学的信号を複数の方法で記録し、皮質内電気微小刺激（ICMS）を通じてターゲット脳の神経活動に影響を与えることで、動物Aが動物Bの行動をわずか10％程度の偏差率で模倣できることを予備的に実証しました。そこで、脳-脳インターフェースという刺激的なコンセプトが生まれました。

その後数年間、いくつかの研究により、脳波記録法（EEG、脳波図に表示される脳の自発的な生体電気活動の特徴と変化に基づいて脳機能を調べる方法）や経頭蓋磁気刺激法（TMS、磁気信号が減衰することなく頭蓋骨を通過して脳神経を刺激する、痛みのない非侵襲性のグリーン治療法）などの非侵襲的技術を通じて、2人または3人の被験者間の脳対脳インターフェースが実現され、被験者は他の被験者の知覚や指を動かす意図を感じることができるようになりました。

さらに、研究では、脳波を使って人間の脳から運動命令を抽出し、電気刺激や集束超音波を通してゴキブリやネズミの脳に伝達できることが示されています。

しかし、前述のように、脳-脳インターフェースには多チャンネルの脳波記録が必要であり、技術的に困難です。同時に、脳波記録は正確にデコードすることが難しいため、情報伝達率が低くなります。

しかし、羅敏敏研究室によるこの研究は、間違いなく脳-脳インターフェースの研究分野に新たな突破口を開いた。

羅敏敏について

これを見て、「羅敏敏って誰？」と疑問に思う人もいるかもしれません。

実際、羅敏敏博士は北京生命科学研究所の上級研究員です。 2005年に北京生命科学研究所に研究室を設立して以来、多数の国際学術誌（Science、Cell、Neuron、Proceedings of the National Academy of Sciencesなど）に責任著者または第一著者として40本以上の学術論文を発表し、その論文は2,200回以上引用されています。

Leiphone.com（公式アカウント：Leiphone.com）は、2つの神経生物学研究分野（哺乳類の脳における嗅覚信号の符号化と、神経回路レベルでのいくつかの基本的な動物行動の生理学的メカニズム）に加えて、Luo Minmin博士が実は「博学者」であることを知りました。彼女は学部生として心理学を学び、人工知能や物理学などの分野にも興味を示しています。羅敏敏の研究室では、電気生理学や化学の分野でも多くの機器を開発してきました。

さらに、羅敏敏博士は、神経生物学の分野で広く関心を集めながらも議論を呼んでいるセロトニンにも挑戦しようとしています。実際、セロトニンとしても知られる 5-ヒドロキシトリプタミンは、感情、エネルギー、記憶の調節、さらには人生観の形成など、脳活動のほぼすべての側面に影響を及ぼす抑制性神経伝達物質です。一部の抗うつ薬は、脳内のこの神経伝達物質のレベルを高めることによって作用します。

科学研究の過程が順風満帆ではないことは間違いありませんが、羅敏敏博士は常に自分自身を鼓舞してきました。