基礎科学研究所（IBS）内の神経科学画像研究センター（CNIR）のソン・ドンヒ教授とシン・ミギョン教授が率いる研究チームは、韓国科学技術研究院（KIST）のバイオニクス研究センターのキム・ヒョンミン博士と協力し、てんかんやその他の神経疾患の治療に革命を起こす可能性のある画期的なソフト皮質デバイスを開発しました。
てんかんは、世界中で 6,500 万人以上が罹患している神経疾患で、脳内の病的な電気的活動亢進により発作が起こるのが特徴です。特に、全患者の約 20 ～ 30% は難治性てんかんと診断されており、標準的な薬物療法では効果がありません。これらの患者には病変の外科的切除が依然として治療の選択肢となっていますが、手術に伴う複雑さとリスクのために困難を伴います。
より侵襲性の低い代替治療法として、損傷した組織を機械的、電磁的、または光学的エネルギーで直接刺激して脳の過剰興奮を抑制する神経調節の概念が提案されています。有望なアプローチの 1 つは、永久的な損傷を引き起こすことなく高精度で脳を刺激する非侵襲的な方法である経頭蓋集束超音波 (tFUS) 神経刺激です。
tFUS がてんかん治療に効果を発揮するには、脳の活動を継続的に監視し、リアルタイムで治療を調整できるシステムと組み合わせる必要があります。しかし、既存の皮質インターフェース デバイスは、剛性が高く形状適応性が低いため、脳の複雑な表面に沿うことが難しく、組織とデバイスのインターフェースが不十分になるという課題に直面しています。また、脳表面への接着性が低いため、機械的な圧力波による干渉により、超音波刺激中に正確な脳信号を提供することが困難です。
この課題に対処するため、研究チームは形状変形皮質接着（SMCA）センサーを開発しました。これは、脳の表面に密着する柔らかく柔軟なデバイスで、tFUS刺激中でも脳活動を安定して正確に監視できます。SMCAセンサーは、独自の材料の組み合わせで構成されています。カテコール結合アルギン酸ハイドロゲルの層が特徴で、脳組織と素早く結合して強力な接着力を提供し、ずれや剥離のリスクを軽減します。さらに、デバイスの基板は自己修復ポリマーで作られており、体温で柔らかくなって脳の曲面に適合するため、ぴったりとフィットし、信号アーティファクトのリスクを最小限に抑えます。
研究チームは、SMCA センサーを体外 (体外) と体内 (体内) の両方でテストし、接着性や形状変形特性のない既存のデバイスと性能を比較しました。てんかんのラットモデルを使用した実験では、SMCA センサーは tFUS 中に脳活動を干渉なく記録することに成功し、効果的な治療に必要なリアルタイムのモニタリングが可能になりました。
研究者らは、この革新的なセンサーを使用して、閉ループ発作制御システムを実装しました。このシステムは、SMCA センサーを使用して発作の初期兆候を検出し、それに応じて tFUS 治療を自動的に調整します。このシステムは、リアルタイムで発作を抑制することに成功し、個人に合わせた適応型てんかん治療の可能性を実証しました。
ソン・ドンヒ教授は、「脳接着性ソフトバイオエレクトロニクスプラットフォームの研究を通じて、アーチファクト干渉のない集束超音波刺激と組み合わせた高品質の皮質電気記録を実現し、脳インターフェース分野における大きな課題を克服しました」と述べました。同教授はこの研究の重要性を説明し、さらに「私たちの技術が、難治性神経疾患の正確な診断と個別化治療を可能にする次世代バイオメディカルプラットフォームの基礎となることを期待しています。この研究に続いて、形状モーフィングと皮質接着機能の改善、高度に統合されたマイクロ電極の開発、高次閉ループ動作アルゴリズムの実装により、SMCAセンサープラットフォームを進化させていきます」と今後の計画を概説しました。
キム・ヒョンミン博士は、「ECoG による発作活動の早期検出を実現し、発作の予防を可能にしました。さらに、超音波刺激の効果に関するリアルタイムのフィードバックを実装し、パーソナライズされた刺激プロトコルの適用を可能にしました。今後は、より多くのチャネルを備えた電極やマルチチャネル超音波トランスデューサーの開発により、発作源の正確なマッピングと標的を絞った介入が容易になり、最終的には臨床応用におけるこのアプローチの有効性と安全性が向上すると期待しています」と述べています。
この研究は成均館大学（SKKU）と韓国科学技術研究院（KIST）の同僚と共同で行われた。研究結果は ネイチャーエレクトロニクス 2024年9月11日。
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#接着性皮質デバイスにより閉ループてんかん治療におけるアーティファクトのない神経調節が可能に
2024-09-20 00:57:33