新しいツールは神経科学者が脊髄の秘密を解明するのに役立つ可能性がある

脊髄は脳よりもアクセスして研究するのが困難です。 その可動性と解剖学的構造によってもたらされる課題により、それがどのように機能するかを正確に理解することが困難になっています。

ライス大学のエンジニアは共同研究者と協力して、脳内のニューロンから高忠実度の長期データを収集するためにすでに成功裏に使用されている一連のナノエレクトロニクス スレッド、つまり NET を最適化する予定です。脊椎での使用に向けて、625 万ドル、4国立衛生研究所からの年間助成金。

ニューロン活動の記録に加えて、NET プローブは、隣接するニューロンに調整可能な局所的な刺激を提供できます。 Rice の神経工学者らは、NET をより大規模なデータ処理システムに統合することで、NET の機能帯域幅を最大化したいとも考えています。

この新しいツールは、神経科学者が脊髄機能の秘密を解明するのに役立ち、怪我やその他の関連する病状に対処する患者に新たな希望をもたらす可能性がある。

これまでのところ、脊髄のニューロンが実際にどのように機能するかについては十分に理解されていません。 たとえば、腕を動かしたり、歩き回ったりすると、脳の中に意図があり、筋肉はその通りに動きます。 この最初の意図から各筋肉の特定の動きへの変換は脊髄で操作および実行され、非常に多くのニューロンで構成される回路がこの仕事を実行します。 しかし、これがどのようにして達成されるのかは正確にはわかりません。」

Chong Xie 氏、助成金の主任研究者、電気工学、コンピュータ工学および神経工学の准教授

電極を使用して脳内のニューロン活動を追跡することにより、神経科学者は脳の機能について多くのことを学ぶことができました。 Xie 氏と共同研究者が開発した柔軟な NET プローブは、脳組織とシームレスに統合され、脳内の個々のニューロンからの電気情報を記録するために使用した場合、硬いプローブよりも優れた性能を発揮します。

予備テストでは、NET プローブがマウスの脊髄ニューロンから高品質で長時間の記録を達成できることが示されています。 しかし、科学者たちは、NET を脊髄の特定の構造的および機能的要求にさらに適合させるつもりです。

脳では、ニューロン、つまり灰白質、および白質として知られる神経線維の束の分布は、脊髄の解剖学的構造とまったく逆です。

「私たちは通常、これを脊髄の『裏返しの解剖学』と呼んでいます」と、電気工学およびコンピュータ工学の助教授であり、この助成金の共同研究者であるラン・ルアン氏は述べた。 「脳の外層（灰白質）にはニューロンが存在し、その内側には白質と呼ばれる線維が存在します。脊髄では、白質または線維が外側にあり、ニューロンを保護しています。これにより、それらのニューロンにアクセスするのはさらに困難です。」

より良いアクセスを確保するために、科学者たちは、脊椎のさまざまな部位に埋め込むのに十分な大きさでありながら、より深い範囲をカバーし、脊髄断面のニューロンからデータを捕捉するのに十分なチャネルを備えたプローブの設計を開発することを計画しています。

もう 1 つの目標は、プローブに記録機能に加えて刺激機能を装備することです。

「この電極は両方の役割を果たすことができます」とルアン氏は語った。 「脊髄損傷や他の種類の損傷を負った患者にとって、刺激は細かい運動制御を回復する方法になる可能性があるため、これは健康に直接関連しています。脊髄への刺激が局所的な動きを回復できることを実証する非常に成功した技術がいくつかあります。しかし、より微細なモーター制御に影響を与えるには、コードの内部に入り込み、この刺激を与えるためのより高度なアクセスと精度が必要であると考えています。」

脊髄は痛みのプロセスにおいて重要な役割を果たしているため、どの脊髄ニューロンが痛みの信号伝達に直接関与しているかを特定できれば、より優れた痛み管理療法への扉が開かれる可能性があります。

「痛みの情報の処理に重要な役割を果たす特定の種類の脊髄ニューロンを特定できれば、それらの細胞を正確に標的とする薬剤の開発が可能になる可能性がある」と謝教授は述べた。 「あるいは、電極を使ってニューロンを刺激し、その活動を調節して、痛みの信号が脳に伝わらないようにすることもできるかもしれません。」

科学者らは、プローブの設計を最適化するだけでなく、非常に小型化され、統合されたデータ処理および刺激フィードバック システムに脊髄 NET を組み込むことも計画しています。

技術の開発に加えて、Xie、Luan と彼らのチームは、ソーク生物学研究所のファフ研究室、カーネギーメロン大学のウェーバー研究室、カリフォルニア大学サンフランシスコ校のバスバウム研究室とガングリー研究室と提携して一連の研究を行っています。さまざまな脊椎領域、動物モデル、研究テーマにわたってデバイスをテストする脊髄研究の実施。

ルアン氏は、脊髄研究用の NET ベースのテクノロジーを開発および最適化することで、「神経科学コミュニティ全体が脊髄機能のより根本的な理解を達成できるツールを提供できる」と期待していると述べた。

「私の本当の願いは、4年後のこのプロジェクトの終わりには、神経科学者たちが現在の技術では不可能な新しいことを見て実行できるようになるということです」と謝氏は語った。