科学者たちはロボットを使って体外でマウスの脳神経を操作します！ 1分以内に通信接続

この記事はLeiphone.comから転載したものです。転載する場合は、Leiphone.com公式サイトにアクセスして許可を申請してください。

これは磁場によって駆動されるマイクロロボットです。アニメーション画像では、ロボットが目標に向かってジャンプしています。

一定の磁場の下では、誰でも円回転することもできます。

磁気駆動マイクロロボットは珍しくない、あるいはあまり目立たないものだと考える人もいるかもしれません。

しかし、上のロボットは普通のロボットではありません。ニューロンを持ち、体外で神経クラスター間の神経ネットワークを形成し、操作することができます。そのため、脳機能と関連疾患の研究において新たな進歩が達成されました。

なぜ「in vitro ニューラルネットワーク」を構築するのでしょうか?

このロボットは、韓国の韓国脳研究所とロボット工学部、DGIST-ETHマイクロロボティクス研究センター、大邱慶北科学技術院（DGIST）の脳認知科学部が共同で開発した。

2020年9月25日、同チームの論文がトップ学術誌「サイエンス」の子会社「サイエンス・アドバンス」に「標的を絞った神経細胞の送達と神経ネットワークの選択的接続のための磁気駆動型マイクロロボット」と題して正式に掲載された。

脳科学の研究者たちは、学習、記憶、運動、感覚処理、意思決定といった脳の機能について、より深く理解しようと努めてきました。脳におけるこれらの機能の実現は、神経接続と切り離すことはできません。

神経科学を研究するために、科学者たちは化学的および電気生理学的手法を用いて脳の機能を分析する「in vitro ニューラルネットワーク」研究方法を提案しました。

なぜ体外で神経ネットワークを研究したり、操作したりするのでしょうか?

その理由は、この方法は外部からの影響を最小限に抑えながら脳内の標的部位に正確かつ選択的な神経接続を作り、それによって神経活動を測定し、ニューロンがどのように通信するかを判断できるからです。もちろん、損傷を受けたニューロンや機能不全のニューロンにおける軸索の再生を理解するのにも役立つ可能性があります。

ミクロンスケールの磁気駆動ロボット

では、in vitro ニューラルネットワークをどのように実現するのでしょうか?

細胞神経突起の成長パターンを形成および制御するために、さまざまな国の科学者が化学的、物理的、機械的な方法を試みてきました。一方、韓国の韓国脳研究所と大邱慶北科学技術院（DGIST）の科学者のアイデアは、ロボットを設計することです。

現在、研究結果では、磁気駆動の球形、螺旋形、バリ形の多孔質球形マイクロロボットが、生体内または生体外で標的細胞送達を実現できることが示されています。

しかし、韓国の研究チームはこう述べた。

これまでの研究は、主にさまざまな形状のマイクロロボットを作成し、外部電源を使用してマイクロロボットに細胞をロードすることに重点が置かれてきました。私たちの知る限り、神経突起の配置と神経接続を制御するためにマイクロロボットを使用することを報告した科学チームはありません。

そこで、研究者らは、ニューロンを搭載した3D磁気駆動マイクロロボットを設計しました。このロボットは、外部磁場を通じてニューラルネットワークを2つのニューラルクラスター間の隙間に正確に伝達し、ニューラルネットワークを選択的に接続することができます。同時に、細胞外活動電位は、マイクロロボットが運ぶニューロンを通じて、ある神経クラスターから別の神経クラスターに伝達されます。

論文によれば：

私たちが設計したロボットは、再現可能、選択可能、そして正確に接続できるという利点があります。

上の図 A は、2 つのニューラルクラスター間のニューラルネットワークのアクティブな構築を示しています。このプロセスは主に、ロボットに組み込まれた、軸索信号伝達を測定できる高密度マルチレベルアレイチップに依存しています。

上の図 B は主にマイクロロボットの具体的な寸法（高さ 27μm、幅 5μm、奥行き 2μm）を示しています。

ご覧のとおり、ロボットの上部には溝があり、側面にはフリップの指示があります。

パート C は、2 光子重合 (TPP) に基づく 3 次元レーザーリソグラフィー技術を使用してロボットを準備し、ニッケル (Ni、磁性用) 層と二酸化チタン (TiO2、生体適合性用) 層を堆積するプロセスを示しています。

パート D はロボットの走査型電子顕微鏡画像であり、ロボットがマイクロメートルサイズであることがわかります。

ロボットがニューロンを成長させる

ロボットの設計が完了したので、次のステップはニューロンの培養を試すことです。

実験中:

実験グループは、ロボット溝上でのマウス脳神経細胞の神経突起成長、
対照群は、ガラスマトリックス（平らな表面）上のマウス脳ニューロンの神経突起の成長でした。

科学者たちは免疫蛍光画像を使用して、2つのグループの神経突起の数の変化を示した。

結果は次のようになります:

実験群（ロボット）：細胞の高さは約40μm。
対照群（ガラスマトリックス）：少数の細胞のみが観察されました。神経突起の厚さは約2～5μm、神経細胞体の厚さは約10～20μmです。

つまり、対照群と比較して、ロボットを使用することでニューロンをうまく培養することができ、生存率に大きな影響を与えることなく神経突起を成長させることができます。

研究チームは次のように述べています。

マイクロロボットは、ニューロンを輸送および培養するだけでなく、2 週間以内に神経突起の成長を望ましい方向に誘導および接続する可能性を秘めています。

試験管内神経ネットワークにおける新たなブレークスルー

このマイクロロボットはニューロン培養に基づいてニューラルネットワークを作成します。このプロセスは、ニューラルクラスターの配列上のロボットに磁場を適用することによって実現されます。

科学者たちは、8つの電磁コイル半球とその上の電荷結合素子（CCD）カメラを直線的に重ね合わせることで、強度20mT、周波数1.2Hzの磁場を設計した。

下の図では、白い点線のボックスはニューラルネットワークを表し、赤い点線のボックスはロボットのターゲットポイントを表します。

実際、ニューラルネットワークの能動的な接続を実現するためには、ロボット上で培養されたニューロンを指定された場所に正確に転送して配置することが鍵となります。ロボットに取り付けられた細胞は余分な重量を加え、ロボットの進行に影響を与える可能性がありますが、科学者は磁場を使用して、数十μm（誤差範囲約10％）の精度で正確な制御を実現します。

上の図に示すように、ニューロンは 10 秒以内に目標位置に到達し、1 分以内にネットワークを接続するために必要なニューラルクラスターを正確に配置しました。

それだけでなく、科学者たちは測定を通じて、マイクロロボットの動作が細胞の活力に影響を与えないことも示しました。

この時点で、マイクロロボットを使用してニューロンを培養し、物理的かつ機能的なニューラルネットワーク接続を形成することが可能になります。

今後の開発の方向性について、研究チームは次のように述べています。