脳コンピューターインターフェースの新発見！眠りに落ちた後、脳は起きている時の経験を再生する

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眠りに落ちると、脳はオフラインになり、リプレイ モードがオンになり、起きていたときの体験が再生され、記憶が強化されます。

これまで、科学者たちはこのプロセスをげっ歯類などの非人間動物でのみ観察していた。脳コンピューターインターフェースのパイロット臨床試験において、マサチューセッツ総合病院、ハーバード大学医学部、ブラウン大学、カリフォルニア大学サンディエゴ校などの研究機関の研究者グループは、2人の被験者の運動皮質で学習した神経興奮シーケンスの再生を初めて観察した。

現地時間2020年5月5日、Cell Reports誌は「人間の運動皮質における安静時の学習した神経発火シーケンスの再生」と題する研究チームの論文をオンライン版で公開した。

大脳皮質にセンサーを配置する

脳は人間の神経系の最高位の部分です。左大脳半球と右大脳半球の両方の表面には灰白質の層があり、これを「大脳皮質」と呼ぶことが多いです。

Leifeng.com（公式アカウント：Leifeng.com）は、大脳皮質の状態を過小評価できないことを知りました。大脳皮質には約140億個の神経細胞があり、思考の器官であり、体のすべての活動を支配し、体と周囲の環境のバランスを調整する役割を果たしているため、人間の高次神経活動の物質的基盤であると言えます。

大脳皮質には、随意運動の計画、制御、実行に関与する領域、すなわち運動皮質があります。

前述の研究チームによる脳コンピューターインターフェースのパイロット臨床試験は運動皮質から始まり、研究者らは各参加者の脳に 1.5 mm、96 チャンネルのシリコン微小電極アレイを 2 つ、長期間にわたって配置しました。

実際、シリコンマイクロ電極アレイが選ばれた理由について、論文の共著者の一人である Beata Jarosiewicz 氏は次のように述べています。

パーキンソン病などの病気の治療に使用される電極は、個々のニューロンのスパイク活動を追跡するには大きすぎます。しかし、私たちの臨床試験で使用された電極アレイは、人間の脳内でこれほど詳細な神経記録を可能にする初めてのものです。この点だけでも、私たちの研究は前例のないものです。

参加者は二人とも四肢麻痺で、現在は生きるために人工呼吸器に頼る必要があるが、話すことはできるとのことだ。このうち、参加者 T9 は本研究に参加する 11 か月前にシリコン微小電極アレイを埋め込み、参加者 T10 は本研究に参加する 3 か月前にシリコン微小電極アレイを埋め込みました。

研究者たちは、2人の参加者の運動皮質の放電活動を通じて、「特定の学習関連の神経発火率シーケンスのオフライン再生」の直接的な証拠を見つけようとした。

Leifeng.comは、米国の臨床試験データベースClinicalTrialsから、この試験はBrainGate2と呼ばれ、上記のシリコン微小電極アレイもBrainGate2センサーと呼ばれていることを知りました。この試験は、四肢麻痺患者が神経活動を利用してコンピューター、ロボットアーム、その他のデバイスを制御できるように、脳コンピューターインターフェース技術の開発を促進することを目的としています。主要評価項目は、BrainGate2神経インターフェースシステムの安全性を判断することであり、副次評価項目は、BrainGate2の実現可能性を判断し、その後の大規模臨床研究のパラメータを確立することです。

下の図からわかるように、試験は2009年5月に始まり、2022年12月に完了する予定です。研究者らは、少なくとも1年間にわたり、少なくとも毎週、参加者の神経記録を行った。

想像力を働かせてゲームをする

実際、実験のプロセスは次の図で鮮明に表すことができます。

具体的には、2 人の参加者が「シーケンスコピーゲーム」に参加しました。これは、1980 年代の「Simon」と呼ばれる記憶ゲームに似ています。ゲーム ビデオには、異なる順序で点灯する 4 つの色のブロックがあります。プレーヤーは、特定の順序を繰り返し、色のブロックをもう一度点灯させる必要があります。

この実験におけるこのゲームの特別な点は、参加者が腕を動かす必要がないことです。参加者は、記憶した順序でカーソルを素早く操作し、正しい色のブロックを素早く正確に叩くことを頭の中で想像するだけで済みます。

研究者らは、参加者にゲームプレイの前後（約20分）に昼寝（各20～30分）をするよう依頼したと報告されている。休憩－ゲームプレイ－休憩のプロセス中に、研究者らはBrainGate2センサーを通じて参加者の脳内の多数のニューロンのピーク活動を記録しました。

上記の特性に基づいて、繰り返しシーケンスと制御シーケンスの数は、BrainGate2 が信頼できるかどうかを判断するための重要な基準となります。論文によれば、プロセス全体を通じて、繰り返しシーケンスの提示が 66 回、制御シーケンスが 22 回あった。

実験では、ゲーム前の休息からゲーム後の休息まで、繰り返しシーケンスの相関がコントロールシーケンスの相関よりも増加したことが示されました。同時に、ゲーム中とゲーム後の休息中の参加者の脳のニューロン放電パターンは同じであり、これは人間の脳の睡眠中の「オフライン再生」の直接的な証拠です。

Beata Jarosiewicz 氏は次のように語っています。

これは、人間の脳が睡眠中に学習内容を再生し、記憶の強化に役立つ可能性があることを示す初の直接的な証拠です。私たちは何十年もの間、他の動物の脳の再生に関連する記憶の統合メカニズムを研究してきましたが、実はこれは人間にも当てはまります。

研究チームが BrainGate から来たことは特筆に値します。BrainGate は、回復神経インターフェースの開発に関する科学と医学に重点を置いた学術研究連合です。メンバーには、ブラウン大学、マサチューセッツ総合病院、ケース ウェスタン リザーブ大学、スタンフォード大学が含まれます。NeuraLink (マスク氏が設立) および Kernel とともに、この連合は米国における侵襲的脳コンピューター インターフェース研究の第一人者です。

今後の研究の方向性としては、研究チームは脳の再生メカニズムと記憶形成の潜在的なつながりを探りたいと考えている。