Nanotechnology and Neuroscience Nano-electronic, Photonic and Mechanical Neuronal Interfacing
ナノ電子、光子、機械によるニューロンインターフェース
マッシモ・デ・ヴィットリオ、ルイジ・マルティラドンナ、ジョン・アサド
ナノテクノロジーと神経科学:ナノエレクトロニクス、フォトニクス、機械によるニューロンインターフェース
編集者
マッシモ・デ・ヴィットリオ サレント大学工学博士革新センター 生体分子ナノテクノロジー研究センター イタリア技術研究所 アルネザーノ(LE)、イタリア
ジョン・アサド 神経科学・認知システムセンター イタリア技術研究所 – トレント、イタリア 神経生物学部門ハーバード大学医学大学院マサチューセッツ州ボストン、米国
Luigi Martiradonna 生体分子ナノテクノロジーセンター イタリア技術研究所 アルネザーノ(LE)、イタリア
序文
人間の脳に存在する数十億のニューロンと、その接続部分である数兆のシナプスの機能と構造を理解することは、多くの異なる研究分野の科学者たちの協調的な取り組みを必要とする途方もない挑戦である。この信念が、欧州連合(EU)と米国の両政府に、それぞれ「ヒューマン・ブレイン」という旗艦プロジェクトと「ブレイン・イニシアティブ」という長期にわたる学際的なプロジェクトに数十億ドルを投資させ、数百人の科学者や技術者を動員して、人間の脳の包括的な全体像を構築するに至った。この目標を達成するには、神経回路を調査するための新しい技術やアプローチが必要となるだけでなく、指数関数的に増加する生理学的データを処理するための革新的なアプローチも必要となる。
中枢神経系および末梢神経系におけるニューロンの記録および刺激の戦略は、18世紀のルイジ・ガルヴァーニによる最初の電気生理学実験以来、研究されてきた。2世紀以上を経て、現在の方法論とツールでは、比較的少数の細胞との同時相互作用しかできない。その結果、特定のニューロン群や脳の領域のメカニズムや役割を解明することは可能であるが、各ニューロンが他のニューロンと形成する数千もの機能的リンクを系統的に監視する技術は存在しない。そのため、脳の大規模な統合については、まだ明確な理解が得られていない。
神経科学者たちは、高い空間的・時間的分解能で、長時間にわたって記録や刺激を行うことを可能にする新しいツールを必要としている。理想的には、そのような装置は、多数のニューロンを高忠実度で低侵襲的にインターフェースし、それらの電気的活動を記録、撹乱、制御できるものでなければならない。ナノサイエンスとナノテクノロジーは、既存のツールの性能を向上させ、ヒトの脳の詳細なマップを作成するための新しいアイデアや実験的アプローチを開発する上で重要な役割を果たすことができる。実際、電気生理学プローブのサイズをナノスケールまで縮小することで、侵襲性を最小限に抑え、空間分解能を向上させることができる。さらに、高度なナノ加工プロトコルにより、小型化されたデバイスに、より高度な電気的、機械的、光学的な機能性を統合することが可能になる。
本書では、「ナノの世界」が神経科学者にとってどのような利益をもたらすか、そのさまざまな方法について概説する。この本では、神経科学への応用におけるマイクロテクノロジーおよびナノテクノロジーの分野における最新の進歩を取り上げ、試験管内試験 および 生体内試験 実験の両方に適用される技術的アプローチについて論じている。 ナノ構造電極およびその電気的、機械的、生化学的特性、能動型および受動型の 2D および 3D 多電極アレイ(MEAs)、細胞内記録用のナノスケール・トランジスタ、光遺伝学における方法、ツール、応用についての概要など、さまざまなナノテクノロジーが紹介されている。
電極技術の進歩、すなわち電極上での細胞の機械的接着の改善や、新規の低侵襲な細胞外および細胞内記録法の実現についても報告されている。電極は、その製造が容易で長期にわたって安定しており、広い帯域幅を持つことから、活動電位や低周波電界電位(LFP)の記録を可能にするなど、脳との双方向のコミュニケーションを可能にする神経科学分野で最も一般的なツールであることに変わりはない。ナノテクノロジーは、表面マイクロマシニングやCMOS集積回路(IC)由来の技術を活用することで、電極の空間分解能を劇的に向上させた。さらに、三次元形状、電極-電解質-ニューロン間の界面の最適化、無機(例えばカーボンナノチューブ)または有機材料による表面機能化、細胞内記録および刺激のための細胞包埋戦略により、信号対雑音比が大幅に向上した。
電極アレイは、神経ネットワークの機能研究や、BMI(ブレイン・マシン・インターフェース)や神経補綴の開発において、神経科学の主要な方法論にもなっている。半導体技術と表面およびバルクマイクロマシニング技術の進歩により、同一の基板上に配置できる電極の数は7年ごとに倍増し、同時に記録できるニューロンの数も7年ごとに倍増している。ナノテクノロジーとナノ構造化機能により、マルチ電極アレイに新たな展望が開けた。実際、電極アレイは、大量並列単一ユニット記録に向けて進歩を遂げている。同時に、低電力マイクロエレクトロニクスの利点を活用し、記録された信号の調整、多重化、無線伝染のためのオンボード回路を実装している。現在では、数千の電極で構成されたCMOS技術に基づく新しいアクティブ多電極アレイのリアルタイム操作が報告されている。この本では、過去数十年間に開発された、さまざまな基質上での2Dおよび3D MEAの印象的な製造アプローチと、それらの試験管内試験および生体内試験での応用について概説している。
ナノスケールでは、細胞以下の解像度でニューロンをプローブし、軸索や樹状突起における電気信号の伝播を追跡することも可能である。このような応用は、ナノワイヤベースの電界効果トランジスタ(FET)で実証されている。本書では、ボトムアップアプローチで製造された3D分散型自己組織化ナノFETと、細胞内および高周波記録におけるその使用について報告している。生体組織または人工組織構造に浸透し、3D微小環境における細胞活動の電気記録とマッピングを可能にする、基板不要のナノスケール電気プローブについても報告されている。
この10年のブレイクスルー進歩のひとつとされるオプトジェネティクスは、まだ始まったばかりであるが、神経活動を迅速かつ可逆的に制御するその能力は、健常な脳の機能の理解と脳疾患の両面において、動物モデルにおける行動学的および神経生理学的な分析にすでに革命をもたらしている。この急速に成長する分野では、ナノテクノロジーが大きな影響力を持ち、実際、多数の単一ニューロン内の光感受性タンパク質を標的とする新しいマイクロおよびナノツールによって、神経ネットワークにおける因果関係の調査が可能になっている。本書の最終章では、ナノおよびマイクロテクノロジーがオプトジェネティクスをどのように進歩させることができるかという新しいアプローチを含め、新しいオプトジェネティクスアプローチについて論じている。
この書籍では、特に製作戦略に焦点を当て、神経科学の応用におけるマイクロおよびナノ構造ツールの開発と応用のための包括的なガイドを提供している。神経科学者とナノテクノロジストの両方にとって、神経科学ツールの最新開発状況に関する参考資料となることを目的としている。
マッシモ・デ・ヴィットリオ
ジョン・アサドルイジ・マルティラドンナ
目次
- 1 機械的性能を向上させた神経細胞-電極インターフェースのためのカーボンナノチューブ デビッド・ランド、ヤエル・ハネイン
- 2 低侵襲性、高空間分解能、3次元活動電位記録のためのナノスケール電界効果トランジスタ 電位記録 Xiaojie Duan
- 3 細胞内記録と包摂メカニズムによる刺激 アヴィアド・ハイ
- 4 神経細胞への電荷伝達を改善するナノ構造コーティング 神経細胞への電荷伝達を改善する 高崎隆志、ニコラス・アルバ、フアナ・チャン、ニコラス・コトフ、ロバート・ガント、シンヤン・トレーシー・ツイ
- 5 3次元マイクロ電極アレイを実現するためのマイクロマシニング技術 スワミナサン・ラジャラマン
- 6 神経インターフェースにおける製造および検査ツールとしての集束イオンビーム技術 レオナルド・シレオ、フェルッチョ・ピサネッロ、ルイジ・マルティラドンナ、マッシモ・デ・ヴィットリオ
- 7 高時空間分解能のためのアクティブピクセルセンサ多電極アレイ L. Berdondini、A. Bosca、T. Nieus、A. Maccione
- 8 生体内記録のためのマルチ電極およびマルチトランジスタアレイ ステファノ・ヴァッサーネリ
- 9 光遺伝学 Allison Quach、Nicholas James、Xue Han
- 索引
AI解説
意味合い
1章と2章：
- 1. 神経細胞の電気的活動を高精度で記録・測定する技術の進歩は、脳機能の理解を深め、神経疾患の診断や治療法の開発に貢献する可能性がある。
- 2. ナノスケールの電極技術は、より低侵襲で長期間の神経活動モニタリングを可能にし、脳-機械インターフェースの発展につながる可能性がある。
- 3. これらの技術進歩は、神経科学研究や医療分野に革新をもたらし、新たな治療法や診断法の開発につながる可能性がある。
3章：
- 1. 「in-cell recording」技術は、長期間にわたって多数の神経細胞から同時に細胞内記録を得ることを可能にし、学習や記憶のメカニズム解明に貢献する可能性がある。
- 2. この技術は、神経疾患の理解や治療法開発に新たな道を開く可能性がある。
- 3. 将来的に、この技術を用いた脳-機械インターフェースの開発が進む可能性がある。
4章：
- 1. ナノ構造化された刺激電極は、より精密な神経活動の制御を可能にし、神経疾患の治療や義肢の制御などに応用できる可能性がある。
- 2. 薬物放出機能を持つ電極は、神経系疾患の治療に新たなアプローチをもたらす可能性がある。
- 3. これらの技術は、人工感覚器官の開発や、脊髄損傷後の機能回復などに応用される可能性がある。
- 4. 光電気刺激電極の開発は、より低侵襲で精密な神経刺激技術につながる可能性がある。
6章：
- 1. 神経インターフェース技術の向上は、脳機能の理解を深め、神経疾患の治療法開発に貢献する可能性がある。
- 2. ナノ構造化された電極は、より精密な神経活動の記録や刺激を可能にし、脳-機械インターフェースの性能向上につながる可能性がある。
- 3. FIB技術の発展は、カスタマイズされた神経インターフェースの開発を加速し、個別化医療の進展に寄与する可能性がある。
- 4. 細胞-ナノ構造相互作用の理解は、より生体適合性の高い医療デバイスの開発につながる可能性がある。
- 5. FIB/SEM技術の進歩は、生体材料と人工材料の界面の理解を深め、医療機器の長期使用における安全性向上に貢献する可能性がある。
8章：
- 1. 高分解能・大規模な神経活動記録技術の発展は、脳機能の解明を加速し、神経疾患の診断や治療法の開発に貢献する可能性がある。
- 2. MEAとMTAプローブの改良は、より正確で長期的な脳活動モニタリングを可能にし、脳-機械インターフェースの性能向上につながる可能性がある。
- 3. 非侵襲的で高精度な神経刺激技術の開発は、神経疾患の新たな治療法につながる可能性がある。
- 4. 大規模MTAの開発は、脳活動の電気的イメージングを可能にし、脳の情報処理メカニズムの解明に貢献する可能性がある。
- 5. これらの技術の進歩は、最終的に神経疾患患者のリハビリテーションや、脳-機械インターフェースを用いた新しい補助・治療デバイスの開発につながる可能性がある。
- 6. 高分解能ECoG技術の発展は、てんかんなどの脳疾患の診断や治療に新たな可能性を開く可能性がある。
9章
- 1. 神経科学研究の革新：
オプトジェネティクスは、特定の神経回路の機能をこれまでにない精度で解明することを可能にし、脳機能の理解を大きく進展させる可能性がある。 - 2. 精神疾患や神経疾患の理解と治療法開発：
特定の神経細胞や回路の機能を操作することで、様々な精神疾患や神経疾患のメカニズムの解明につながり、新たな治療法の開発に貢献する可能性がある。 - 3. 脳-機械インターフェースの発展：
神経回路の精密な制御技術は、より高度な脳-機械インターフェースの開発につながる可能性があり、障害者支援技術の進歩に寄与する。 - 4. 行動制御技術の倫理的問題：
特定の神経回路を操作して行動を変化させる技術は、人間の自由意志や個人の尊厳に関する倫理的な問題を提起する可能性がある。 - 5. 新たな創薬アプローチ：
特定の神経回路の機能を詳細に理解することで、より標的を絞った薬物開発が可能になる可能性がある。 - 6. 教育や学習への応用：
記憶や学習のメカニズムの解明は、教育方法の改善や学習障害の理解に貢献する可能性がある。 - 7. 法的・社会的影響：
脳機能の詳細な理解は、責任能力や意思決定プロセスに関する法的・社会的概念に影響を与える可能性がある。 - 8. 神経科学の大衆化：
この技術の発展により、脳科学への一般の関心が高まり、科学リテラシーの向上につながる可能性がある。
要約
第一章
神経細胞は独特の電気的特性を持ち、情報処理と伝達を行う能力がある。健康な神経系では神経経路が intact だが、疾患や外傷により情報伝達経路が断たれることがある。神経電極による刺激と記録は、こうした状態に対処するために長く提案されてきた。
神経細胞は電気的特性で知られているが、環境の力学的特性にも非常に敏感である。力学的シグナリングは神経系の発達と成熟において重要な要素である。これらの現象は神経-電極インターフェースを決定する上で重要な意味を持つ。
細胞接着は表面形態の影響を受ける。ニューロンの接着と増殖は、滑らかな表面と粗い表面では顕著に異なる。細胞の反応は、電極と細胞間の電気的結合に影響を与えるほど強い場合がある。これらの効果は、ナノベースの電極とニューロン間の電気的結合にも影響を与える可能性がある。
神経力学は神経-電極インターフェースを決定する上で極めて重要であり、異なる力学的特性を持つ表面は神経-電極インターフェースの違いに寄与する。この一般的なテーマは、表面形態を神経-電極インターフェースに影響を与える有効な手段として探究することを動機づけた。
神経細胞は人工表面に関連する機械的手がかりに応答する驚くべき能力を持っている。この能力は、異なる形態を持つ表面上でニューロンが増殖する方法に最もよく現れている。同様の化学的性質を持つが異なる形態を持つ表面は、全く異なる反応を引き起こす。
神経突起は伸長しながら発達するが、同時に内部張力を蓄積する。この2つの過程が協調して働くことで、軸索の発達と強化が可能になる。神経突起は隆起に沿って伸び、ねじれて巻きつき、最終的に自身と細胞体を表面に固定する。
カーボンナノチューブ(CNT)表面は、化学的安定性と電気伝導性を備えているため、特に魅力的である。CNTを複雑なデバイスに容易に統合できることも大きな利点である。
CNT表面上の培養ニューロンの反応を探る多くの研究が行われた。神経突起はCNT表面に強く絡み合い、ネットワークをCNTアイランドのパターンと密接に対応するパターンで安定させる。
CNT-ニューロン結合は、細胞の表面への固定を改善するだけでなく、電気的結合も改善する。これは、ニューロンと電極表面のより密接な接触を保証するためである。
3次元電極は、神経刺激と記録のアプリケーションにとって明らかに非常に魅力的である。拡大された表面積により電極インピーダンスが低下し、ノイズの低減や神経活性化のための刺激閾値の低下が可能になる。
CNT電極は、in vitroまたはex vivoで研究した場合、電極の電気的性能を劇的に改善する。神経細胞がCNTとインターフェースを形成する特殊な方法(すなわち、プロセス絡み合い)により、これらの表面は長期的なアプリケーションに有益である可能性がある。
細胞は異なる力学的特性を持つ表面を区別し、これらの表面の手がかりに反応して増殖、接着、全体的な活動を変化させる能力を持っている。特に、ニューロンは異なる表面に敏感で、粗い表面に優先的に接着することが知られている。
CNTは、極めて粗い表面と化学的・機械的耐久性、生体不活性、優れた電気化学的特性を兼ね備えた独特の組み合わせを提供する。これらの考慮事項により、CNTは神経学的アプリケーションのための優れたインターフェースとなる。
力学的因子は遍在し、重要である。それらは、細胞や組織がインターフェースでどのように形成されるかに影響を与え、接着、電気的結合、全体的な生物学的反応など、短期的および長期的な特性に影響を与える可能性がある。
第二章
ナノスケールの電界効果トランジスタ(FET)は、神経細胞やがん細胞の活動電位を記録するための優れたツールである。光学的手法と比較して、電気的記録は高い信号対雑音比と時間分解能を持つ。しかし、従来の電極を用いる方法では空間分解能に限界があり、生物系への影響も大きい。これらの問題を克服するために、ナノメートルサイズで高密度化が可能な電気記録デバイスの開発が進められている。
FETは、溶液のポテンシャルをデバイス/電解質界面のインピーダンスに依存せずに検出できるため、プローブのナノメートルスケールへの小型化が可能である。これは、神経活動の最小侵襲かつ高空間分解能での電気的記録とマッピングに重要である。
シリコンナノワイヤー(SiNW)は、単結晶構造で直径が2-3 nmまで小さくできる半導体ナノワイヤーの代表例である。これらは金属ナノクラスターを触媒として気-液-固(VLS)プロセスで合成される。SiNWのFETは、平面シリコンデバイスと同等以上の電気的性能特性を示す。
ナノワイヤーFETを用いた細胞外記録では、従来の金属電極アレイよりも高い空間分解能が得られる。SiNW FETを用いて、神経細胞の軸索や樹状突起からの細胞外活動電位信号の記録に成功している。また、高密度SiNW FETアレイを用いて、単一ニューロンの異なる樹状突起や軸索からの多重記録も実現している。
SiNW FETは、急性脳スライスの神経接続性のマッピングにも応用されている。また、柔軟な基板上に作製されたSiNW FETチップを用いて、拍動する胚性ニワトリ心臓からの記録も行われている。これらの研究は、ナノFETが階層的に組織化された組織や器官と、細胞および亜細胞レベルの空間分解能とミリ秒以下の時間分解能でインターフェースできる強力な能力を示している。
細胞内記録は細胞外記録に比べていくつかの利点がある。真の膜電位を測定できること、閾値下のイベントやシナプス相互作用に関連するDCや緩やかに変化する電位を測定できること、明確な細胞-電極の対応付けができることなどである。しかし、細胞内部とプローブの直接的な物理的接触が必要なため、より侵襲的である。
新しいナノスケールプローブを開発することで、最小限の侵襲性と毒性、高い空間精度と分解能、高密度で大規模なスケールアップが可能な細胞内電気記録を実現できる。キンク型ナノワイヤーFETプローブ、分岐型細胞内ナノチューブFET(BIT-FET)、活性シリコンナノチューブトランジスタ(ANTT)などが開発されている。
これらのナノFETプローブは、リン脂質二重層修飾を用いて細胞膜の貫通と高抵抗シールを実現している。これにより、外力を加えることなく自発的に細胞膜を貫通し、安定した長時間記録が可能になる。同時に複数箇所での細胞内活動電位記録も実証されている。
3次元で電子センサーを実装し、組織の3次元微小環境全体にわたって細胞を監視する能力は、機能的な神経活動マッピングや生物に関連する物理化学的変化の理解に不可欠である。ナノFETの製造に用いられるボトムアップパラダイムは、3次元空間に分布する独立した基板フリーのナノスケール電気プローブを作製する独特の機会を提供する。
3次元マクロ多孔質ナノ電子ネットワーク(nanoES)は、生体材料や細胞と3次元的に相互浸透できる99%以上の多孔性、天然のECMに匹敵する構造寸法、3次元の相互接続性とアドレス可能性、天然組織に適合する機械的特性などの特徴を持つ。これらのnanoESは、ニューロン、心筋細胞、平滑筋細胞を用いた内部神経支配された組織の作製に利用されている。
nanoESと人工組織のハイブリッドは、3次元での神経および心臓活動の記録とマッピングを可能にする。これは、3次元脳活動マッピングやin vitro薬理学研究などの分野に大きな影響を与える可能性がある。また、疾患のモニタリングと治療のためのクローズドループを可能にする埋め込み可能な「サイボーグ」組織の可能性も示唆している。
これらのナノスケールプローブの開発は、神経科学における新しい基礎研究と革新的な生物医学応用の基盤となる大きな進歩である。
3章の要約
「in-cell recording」と呼ばれる新しい技術が開発された。この技術は、従来の細胞内ガラス電極記録と同等の品質と信号対雑音比で、同時に複数部位から長期間にわたって活動電位とシナプス電位を記録することを可能にした。
この技術の鍵は、培養細胞が基質から突出した金製のキノコ型微小電極(gMμE)を能動的に取り込むメカニズムを利用することである。細胞膜とgMμEの間に高いシール抵抗が生成され、gMμEに面した細胞膜にイオンチャネルが局在化する。
gMμEは相補型金属酸化膜半導体(CMOS)技術を用いてガラスやシリコンウエハー上に作製される。電極はエンドサイトーシスを促進するペプチドで化学修飾される。
電子顕微鏡観察により、様々な細胞種がgMμEを取り込むことが確認された。gMμEと細胞膜の間の間隙は従来の平坦な基質上よりも狭く、多くの場合直接接触しているように見える。
共焦点イメージングにより、アクチンとコルタクチンがgMμEの茎の周りにリング状に集積することが示された。このアクチンリングは動的な性質を持ち、時間とともに安定化する。
この技術により、従来の細胞内記録と同等の品質で活動電位や下閾値シナプス電位を記録できる。記録は48時間以上安定して継続できる。
刺激実験では、gMμEを介して細胞を脱分極させ、活動電位を誘発できることが示された。刺激後も細胞の入力抵抗や電気的結合に変化は見られなかった。
gMμEと神経細胞の接合部の等価回路モデルが提案された。このモデルは実験結果をよく説明し、接合膜の抵抗が10-100MΩ程度であることを示唆している。
この技術は、長期間にわたって多数の神経細胞から細胞内記録を得ることを可能にし、学習や記憶に関する基本的な疑問に答える可能性を持っている。今後の課題は、in vivoでの哺乳類神経回路への応用である。
4章の要約
ナノ構造化された刺激電極は、神経細胞の活動を選択的に制御するための有望なアプローチである。従来の刺激電極は大きな表面積を必要とし、特定の神経集団の活性化が困難だった。ナノ構造化電極は電気化学的表面積を増加させ、より低い電流で効果的な刺激を可能にする。
電気刺激は、細胞外空間に負の電荷を生成し、近傍のニューロンを脱分極させる。しかし、軸索が先に活性化されやすく、逆行性の活動電位を引き起こす可能性がある。また、電極の位置や刺激パラメータによっては、カソード刺激が過分極を、アノード刺激が脱分極を引き起こすこともある。
電極/電解質界面での電荷移動は、ファラデー反応と非ファラデー反応の2つのメカニズムで起こる。ファラデー反応は酸化還元反応を介して電荷を移動させ、非ファラデー反応は電気二重層の充放電を利用する。理想的な電極は、不可逆なファラデー反応を最小限に抑えつつ、十分な電荷を注入できるものである。
ナノ構造化電極の利点は、電気化学的表面積の増加による電荷注入能力の向上である。しかし、過度の表面積増加は、イオン拡散抵抗の増大につながる可能性がある。また、生体内での炎症反応による被包化が、ナノ構造の利点を相殺する可能性もある。
金属酸化物電極、導電性ポリマー、カーボンナノチューブなど、様々なナノ構造化材料が研究されている。これらは従来の金属電極と比較して、より低いインピーダンスと高い電荷注入能力を示す。
導電性ポリマーは電気化学的特性の向上だけでなく、薬物放出能力も持つ。電気刺激によってポリマーの酸化還元状態を変化させ、ドーパントとして取り込んだ薬物を放出できる。ナノ構造化によって薬物の保持量と放出量を増加させることができる。
層状自己組織化(LbL)技術を用いたナノ複合材料も、優れた電気化学的特性と生体適合性を示す。カーボンナノチューブや金ナノ粒子を用いたLbLナノ構造は、従来の材料よりも低いインピーダンスと高い電荷貯蔵容量を持つ。
光電気刺激電極も研究されている。半導体ナノ粒子を用いることで、特定の波長の光に応答して電流を生成し、近傍のニューロンを刺激できる。
これらのナノ構造化電極技術は、高空間分解能での神経刺激を可能にし、基礎神経科学や臨床応用に新たな機会をもたらす可能性がある。しかし、生体内での長期安定性や、組織への最小侵襲的な導入方法など、克服すべき課題も残されている。今後の研究開発により、これらの課題が解決され、ナノ構造化刺激電極の実用化が進むことが期待される。
第5章の要約
3次元マイクロ電極アレイ(3D MEA)は、電気的に活性な細胞とインターフェースを取るための重要なツールである。これらは、神経科学、薬理学、毒性学、バイオセンシングなど幅広い分野で使用されている。
3D MEAの開発は1960年代から始まり、主にシリコンをベースとした技術が用いられてきた。ミシガン大学のWise教授グループとユタ大学のNormann教授グループが先駆的な研究を行った。
ミシガンプローブは、シリコンウェハーにボロンをドーピングしてエッチストップ層を形成し、薄膜電極を作製する技術を用いている。この技術により、任意の2次元形状のプローブと電極配置が可能となった。さらに、CMOS集積回路を組み込んだプローブも開発された。
ユタアレイは、熱拡散法によってp+シリコン領域を形成し、機械的・化学的マイクロマシニングを組み合わせて鋭い針状電極を作製する。この技術により、10×10の電極アレイが実現された。
EUのNeuroProbesプロジェクトは、ミシガンプローブとユタアレイの限界を克服するために、慢性応用に適した3D MEAプラットフォームの開発を目指している。このプロジェクトでは、電極、バイオセンサー、マイクロ流体チャネルを統合したプローブを開発している。
シリコン以外の材料を用いた3D MEAも開発されている。その理由として、クリーンルーム微細加工のコスト、大学でのアクセス性、エンドユーザーの材料に対する親和性、生体適合性などが挙げられる。
電気放電加工(EDM)を用いた金属製3D MEAの開発が報告されている。この技術では、チタン、ステンレス鋼、タングステンカーバイドなどの導電性材料から電極を作製できる。
ガラス基板を用いた3D MEAも開発されている。ウェットエッチングによってピラミッド状の構造を形成し、金属薄膜を蒸着して電極を作製する。
ポリイミドやパリレンなどのポリマー材料を用いた柔軟な3D MEAも開発されている。これらは、生体組織との機械的適合性が高く、埋め込み型デバイスに適している。
ジョージア工科大学のAllen教授グループは、金属やポリマー、SU-8を用いた様々な3D MEA技術を開発している。その中には、金属転写マイクロモールディング技術を用いた3D MEAの作製方法も含まれる。
これらの非シリコン系3D MEAは、エンドユーザーにとって馴染みのある材料を使用しているため、近年注目を集めている。シリコン系3D MEAほど詳細な特性評価は行われていないが、様々な応用開発が進められている。
3D MEAは、科学的発見や医学の進歩に重要なツールであり、過去45年間で世界中で様々な技術が開発されてきた。シリコンベースの技術が最も詳細に特性評価され、広範な商業的・学術的応用が報告されているが、非シリコン系アプローチも近年注目を集めている。これらのツールは、神経科学、義肢、薬理学、診断、埋め込み型デバイスなどの分野で劇的な進歩をもたらしている。
6章の要約
集束イオンビーム(FIB)技術は、神経インターフェースのためのナノ構造の製作と検査に有用なツールである。FIBは、基板上に様々な形状とサイズの3次元ナノ構造を作製できる。この手法により、細胞-電極間の電気的結合を最適化するためのカスタムデザインと製作が可能になる。
FIBによるナノ構造の製作は、細胞の移動性や接着に影響を与える。例えば、ナノピラーアレイ上に置かれた神経細胞は、ピラーに固定され移動が制限される。また、神経突起はナノピラーに沿って伸長する傾向がある。
FIB技術の利点は、同じ基板上に異なる形状や大きさの複数のナノ構造を作製できることである。これにより、細胞との相互作用を比較研究することが可能になる。例えば、直線状、釘頭状、球状の頭部を持つナノピラーを同じ基板上に作製し、神経細胞との相互作用の違いを観察できる。
細胞とナノ構造の相互作用は、ナノ構造の幾何学的形状と表面機能化の組み合わせに関連している。特定のペプチドによる表面機能化は、細胞によるナノ構造の取り込みを促進する。しかし、哺乳類の神経細胞の場合、表面機能化の効果は小さい傾向にある。
非常に細い(<200-300 nm)ナノピラーや細線は、細胞膜を貫通する可能性がある。これは、バイオ分子の細胞内への送達に利用できる。また、電気穿孔と組み合わせることで、一時的に細胞内記録が可能になる。
細胞-ナノ構造インターフェースの解析には、FIB/SEM複合システムが有用である。この手法は、従来のTEM法と比較していくつかの利点がある。大面積のサンプルのスクリーニングが可能で、関心領域を正確に選択してFIBで断面を作製し、SEMで観察できる。また、連続断面観察により3D再構築も可能である。
FIB/SEM観察のためのサンプル調製には、主にSEM用とTEM用の標準的な方法が用いられる。SEM用の方法では、化学固定後に臨界点乾燥または凍結乾燥を行う。TEM用の方法では、樹脂包埋を行う。凍結試料を用いる極低温FIB/SEMは、細胞構造をより良く保存できる利点がある。
樹脂包埋試料を用いたFIB/SEMは、細胞内構造をより高分解能で観察できる。しかし、細胞-基板界面の可視化は困難である。基板の除去が必要な場合が多いが、これは記録デバイス上の細胞を観察する場合には不可能である。
FIB/SEMは、ナノ構造化基板上で培養された細胞の相互作用を調べるための汎用性の高いアプローチである。TEM法ほどの分解能は得られないものの、基板除去が不可能な場合に唯一利用可能な方法である。
今後、FIB技術は神経インターフェース研究に重要な貢献をすると考えられる。ナノ構造の幾何学的形状と表面機能化が細胞との機械的・電気的結合に与える影響をさらに解明し、より高性能な神経記録・刺激デバイスの開発につながることが期待される。
8章の要約
多電極アレイ(MEA)と多トランジスタアレイ(MTA)は、脳に埋め込み可能なプローブの2つの主要な種類である。これらは、神経活動を高空間分解能で記録し、刺激するために開発された。
MEAは金属微小電極を使用し、MTAは電解質-酸化物-半導体電界効果トランジスタ(EOSFET)を使用する。両者の主な違いは、電極-電解質界面の電気化学的性質にある。MEAではファラデー電流が、MTAでは非ファラデー電流が主に流れる。
MEAプローブの代表例は、ミシガンプローブとユタアレイである。ミシガンプローブは、シリコン基板上に複数の平面微小電極を配置した針状構造を持つ。ユタアレイは、3次元的に配置された100本の先鋭化シリコン電極からなる。両者とも、慢性埋め込み用に最適化されている。
MEAの課題は、長期間安定した記録を維持することである。グリア瘢痕形成が主な障害となっている。刺激電極では、大きな駆動電圧による不可逆的な酸化還元反応を避けるため、適切な電極材料の選択が重要である。
MTAプローブは、EOSFETとEOS容量(EOSC)を使用する。EOSFETは記録に、EOSCは刺激に用いられる。これらは非ファラデー的な電気化学的性質を持ち、より正確な細胞外電流・電位の制御が可能である。
MTAの開発は、CMOS技術を活用して大規模・高密度化が進められている。最新のプロトタイプでは、2.6 mm2の面積に32,000個のトランジスタが集積されている。これにより、神経ネットワークの電気的イメージングが可能になりつつある。
MTAの埋め込み型プローブへの応用は最近始まったばかりである。針状チップにEOSFETアレイを集積したプロトタイプが開発され、ラット大脳皮質でのLFP記録に成功している。EOSCを用いた刺激プローブも開発され、3ヶ月以上の慢性刺激が可能であることが示されている。
MTAプローブはまだMEAと比べて性能が劣る面があり、さらなる改良が必要である。記録ではバックグラウンドノイズが高く、刺激では最大電流注入量が限られている。これらの問題は、表面ナノ構造化や新しい高誘電率材料の使用などにより改善される可能性がある。
MTAの利点は、EOS界面の単純で非ファラデー的な電気化学的性質にある。これにより、脳組織内の細胞外電流・電位のより正確な監視と制御が可能になる。この特性は、生理的に近い神経刺激や神経ネットワークとの双方向インターフェースに有利である。
MTAを用いた超高分解能の皮質脳波(ECoG)記録も試みられている。16,000個のトランジスタを持つ大規模MTAをラットの脳表面に接触させることで、数十μmの間隔で電場電位イベントを分離できる可能性が示されている。
今後の課題として、大規模・高分解能プローブの電力管理の最適化や、脳組織への長期埋め込みに適したサイズ・生体適合性の実現がある。シリコンナノワイヤFET、カーボンナノチューブ、グラフェン、導電性ポリマーなどの新材料も注目されている。
しかし、近い将来においては、MEAとMTAベースの埋め込み型プローブが主流であり続けると予想される。これらのプローブは、高分解能の脳イメージングと行動研究を組み合わせた新しい神経科学研究ツールを提供し、最終的には神経疾患患者のリハビリテーションのための人工神経電子回路との脳インターフェースへの道を開くことが期待される。
9章の要約
オプトジェネティクスは、光と遺伝子工学的に導入された光感受性タンパク質を用いて特定の細胞の活動を制御する技術である。この技術は、(1)特定の細胞に標的化された光感受性分子、(2)脳への光の伝達、(3)操作の結果を読み取るための電気生理学的または行動学的手法、の3つの基本要素から構成される。
主要な光感受性分子には、チャネルロドプシン（神経活動を興奮させる）、ハロロドプシン（抑制する）、アーキロドプシン（抑制する）がある。これらは、光に応答してイオンを輸送する。哺乳類の組織には十分な全トランスレチナールが含まれているため、これらの分子は哺乳類の脳内でも機能する。
オプシンを特定の細胞に発現させるには、主にウイルス注入と遺伝子改変動物の作製が用いられる。ウイルスベクターは、高い発現量が得られる一方で、遺伝子サイズに制限がある。遺伝子改変動物は、Cre-LoxPシステムを用いて特定の細胞種にオプシンを発現させることができる。さらに、解剖学的な投射を利用した標的化や、光の照射を空間的に制限することで、より高い特異性が得られる。
光の伝達には主にレーザーとLEDが使用される。脳組織の光学的特性により、光の到達距離は限られるため、深部の組織を標的とする場合は光ファイバーが用いられる。デバイスの挿入や熱による組織損傷を最小限に抑えるため、細い光ファイバーやファイバーアレイの使用が有効である。
オプトジェネティクスは、電気生理学、fMRI、行動実験、細胞イメージングなど、様々な計測技術と組み合わせて使用できる。ただし、金属電極を用いた局所電場電位（LFP）の記録では、光照射によるアーチファクトに注意が必要である。
この技術は、特定の神経回路の機能を解明するのに有効である。例えば、大脳皮質の特定のGABA作動性介在ニューロンの機能、記憶形成に関与する神経集団の同定と操作、異種の神経核内の特定の神経伝達物質産生ニューロンの制御、長距離の神経修飾系の相互作用の解明などに応用されている。
オプトジェネティクスは、高い時間的・空間的・細胞種特異的な制御を可能にし、神経回路の機能解明に革命をもたらしている。しかし、結果の解釈には注意が必要である。今後、新しいオプシンの開発や、より多様な遺伝子改変動物モデルの作製、関連ハードウェアの改良により、神経回路のマッピングにおけるオプトジェネティクスの利用はさらに広がると予想される。