中国の機械工、黄永剛氏のチームの新しい研究：脳への光遺伝学インプラントがマウスを一瞬でゲイの友達に変える

研究者らはマウスの頭蓋骨に神経インプラントを埋め込み、インプラントを作動させるとマウスはすぐに交流し、友達になり始めたが、インプラントをオフにすると「友情」は終わったことを発見した。

これは、ノースウェスタン大学のエンジニアと生物学者による新しい研究で、Nature Neuroscience 誌に発表されたものです。

マウスがリアルタイムの社会的交流を行うように無線でプログラムされたのはこれが初めてであり、プログラムが削除されると、マウスの社会的交流は停止します。

この研究は、光を使ってニューロンを活性化する超小型でワイヤレス、バッテリー不要、完全に埋め込み可能なデバイスを作成する初めての研究です。

この論文は、動物の集団内での社会的相互作用を研究した初の光遺伝学論文です。

オプトジェネティクスは、光学、ソフトウェア制御、遺伝子操作、電気生理学などの学際的な技術を統合して光でニューロンを制御する方法です。

2005年以来、スタンフォード大学のカール・ダイセロス研究室は、異なる波長の光刺激に反応して神経機能を制御するために神経細胞に光感受性タンパク質を発現させ、人間が脳を正確に制御するツールを正式に手に入れたことを発表した。

今からワイヤーを切ってください！

このインプラントは薄く、柔軟性があり、ワイヤレスであるため、移植後のマウスの日常活動に影響を与えず、研究者は実際の自然環境でマウスの活動を観察する機会も得られます。

これまで、光遺伝学の研究では、マウスの動きを制限するために光ファイバーワイヤーを使用する必要があり、相互作用中や複雑な環境でマウスが絡まってしまう可能性がありました。

「これまでの技術では、光ファイバーで動物を縛っていたため、複雑な環境で社会的交流を行うさまざまな動物を観察することができませんでした」と、ノースウェスタン大学の神経生物学者で、この研究の立案者兼主任著者であるエフゲニア・コゾロビツキー氏は語る。「光ファイバーが切れたり、動物が絡まったりするのです。現実世界の動物行動についてより複雑な質問をするには、この革新的なワイヤレス技術が必要でした。束縛から解放されてとても気持ちがよかったです。」

「この論文は、特定の設定で複数のデバイスを同時に完全に独立してデジタル制御できる、光遺伝学用のワイヤレスでバッテリー不要のインプラントを初めて実装した例です」と、ノースウェスタン大学のバイオエレクトロニクスの先駆者で論文の責任著者であるジョン A. ロジャーズ氏は語ります。「動物 1 匹の脳活動は興味深いものですが、個体を超えて複雑で社会的に相互作用するグループを研究することは、神経科学の最も重要で刺激的な最先端分野の 1 つです。現在、これらのグループ内の個体間のつながりがどのように形成され、壊れるか、またこれらの相互作用から社会的階層がどのように生まれるかを研究する技術があります。」

上記の 2 人の責任著者に加えて、他の 2 人の責任著者は、ノースウェスタン大学マコーミック工学部工学部の Huang Yonggang 教授、Jan Marcia Achenbach 教授、および大連理工大学の工学力学教授 Xie Zhaoqian です。

黄永剛教授は、高華建、陸天建、蘇志剛とともに、中国の固体力学界では「二堅二団」として知られています。

論文の第一著者であるYiyuan Yang、Mingzheng Wu、Abraham Vázquez-Guardadoはいずれもノースウェスタン大学の学生である。

光遺伝学は失明や麻痺の治療に利用できる可能性がある

人間の脳は、約 1,000 億個のニューロンが絡み合ったシステムであるため、個々のニューロン、さらにはニューロンのグループを調べることは極めて困難です。

2005 年頃に動物モデルに導入されたオプトジェネティクスは、特定の遺伝的に標的化されたニューロンを制御して、これまでにない詳細さでニューロンを調べ、ニューロンの接続性や神経伝達物質の放出を研究します。

研究者らはまず、生きたマウスのニューロンを改変し、光に敏感な藻類から改変した遺伝子を発現させた。すると、外部の光を使って脳の活動を具体的に制御し、監視できるようになります。

この方法は遺伝子工学を伴うため、人間への使用はまだ承認されていません。

「SFのように聞こえるかもしれないが、これは非常に有用な技術であり、オプトジェネティクスは将来、失明や麻痺の治療に利用される可能性がある」とエフゲニア・コゾロビツキー氏は言う。

しかし、これまでの光遺伝学研究は、利用可能な光伝達技術によって制限されていました。研究者は一匹の動物を個別に調べることは容易ですが、動物の群れの神経活動の柔軟なパターンを同時に制御することは困難です。

通常、光ファイバーのワイヤーは動物の頭から出ており、外部の光源に接続されます。ソフトウェア プログラムを使用して、動物の行動を監視しながらライトのオン/オフを切り替えることができます。

動物たちが動き回ると、繊維はさまざまな方法で引っ張られ、予想通り、これらの影響で動物たちの運動パターンが変化しました。

そこで、考え始める必要があります。実際に研究しているのはどのような行動でしょうか?自然な行動を研究していますか、それとも身体拘束に関連する行動を研究していますか?

リアルタイムワイヤレスコントロール

ワイヤレスのウェアラブル技術の世界的リーダーであるロジャース氏と彼のチームは、頭蓋骨の外側の表面に優しく置けるが、小動物の毛皮の下に隠れる小型のワイヤレスデバイスを開発しました。

厚さ0.5ミリのこの装置は、先端にLEDライトが付いた薄くて柔軟なファイバープローブに取り付けられており、頭蓋骨の小さな切開部から脳まで伸びている。

この小型デバイスは、スマートフォンの電子決済に使用されているのと同じ技術である近距離無線通信プロトコルを活用しています。研究者たちは、コンピューターのユーザーインターフェースを介して、ワイヤレスでリアルタイムに光を制御しました。

動物の囲いの周囲にあるアンテナがワイヤレス デバイスに電力を供給するため、かさばるバッテリーは不要になります。

インプラントを活性化するとマウスの社会活動が増加した

ロジャースの手法の原理を証明するために、コゾロビツキー氏とその同僚は、マウスのペアまたはグループ間の社会的相互作用を遠隔制御するための光遺伝学を調査する実験を設計した。

閉鎖された環境でマウスが物理的に互いに接近すると、コゾロビツキー氏のチームは、高次実行機能に関連する脳の領域にあるニューロン群を無線で同期的に活性化し、マウスの社会的交流の頻度と持続時間を増加させた。

この刺激を非同期化すると、同じペアのマウス間の相互作用が急速に減少しました。研究者たちは、マウスのグループ内で、任意に選んだペアを優遇し、他のマウスよりも相互作用を強めることができた。

「当初、この実験がうまくいくとは思っていませんでした」とコゾロビツキー氏は言う。「私たちの経験では、これは社会行動における神経同期に関する長年の主要な仮説を直接評価した初めての事例です。」