神経記録、神経刺激、および薬物送達のためのモジュール式ブレインマシンインターフェース
モジュール式ブレイン・マシン・インターフェース：神経記録、神経刺激、薬物送達の革新的な進展
学術的背景
ブレイン・マシン・インターフェース（Brain-Machine Interface, BMI）は、神経科学と臨床医学における重要なツールであり、脳と外部世界の間の電荷、物質、情報の相互作用を実現し、神経デコード、神経疾患の診断・治療、脳科学研究に広く応用されています。神経科学の発展に伴い、多機能ブレイン・マシン・インターフェース（multimodal BMI）が注目を集めており、神経記録、神経刺激、薬物送達などの複数の機能を同時にサポートします。しかし、既存の多機能ブレイン・マシン・インターフェースの多くは特定のシナリオ向けに設計されており、高度に統合された固定構成を持っているため、異なる実験ニーズに適応しにくいという課題があります。
この問題に対し、Shengらはモジュール式の多機能ブレイン・マシン・インターフェースを提案し、柔軟なモジュール設計により、異なる実験ニーズに応じて構成、モード、機能を調整できるようにしました。この設計は、デバイスの適応性を高めるだけでなく、複数のモードと仕様を必要とする実験のための汎用プラットフォームを提供します。
論文の出典
本論文は、Tiancheng Sheng、Lingyi Zheng、Jingwei Liらによって共同で執筆され、著者チームは清華大学（Tsinghua University）生物医学工学部、機械工学部、中国科学院瀋陽自動化研究所ロボット学国家重点実験室に所属しています。論文は2025年5月16日に『Device』誌に掲載され、タイトルは『Modular brain-machine interface for neurorecording, neurostimulation, and drug delivery』です。
研究のプロセスと結果
1. モジュール式ブレイン・マシン・インターフェースの設計開発
研究チームは、機能分散の原則に基づいたモジュール式のワイヤレス多機能ブレイン・マシン・インターフェースを提案しました。このデバイスは、サポート層（Support Layer, SL）、機能層（Functional Layer, FL）、インターフェース層（Interface Layer, IL）から構成されています。サポート層には無線通信、電源管理、システム管理などの機能が含まれており、機能層には神経記録、神経刺激、薬物送達などのモジュールが含まれています。インターフェース層は実験対象と直接接続します。
モジュール間の接続を簡素化するため、研究チームは統一された物理インターフェース（Zero Insertion Force connector, ZIF connector）と通信プロトコル（Serial Peripheral Interface, SPI および Pulse Width Modulation, PWM）を設計し、異なる機能モジュールをプラグアンドプレイで使用できるようにしました。このモジュール設計は、デバイスの柔軟性を高めるだけでなく、将来的に他の機能モジュール（光学モジュール、温度センサーモジュールなど）を拡張する可能性も提供します。
ハードウェア設計において、サポート層はARMアーキテクチャに基づくマイクロコントローラーユニット（MCU）とWi-Fi送受信回路を採用し、機能層には64チャンネルの神経記録モジュール、16チャンネルの神経刺激モジュール、マイクロポンプを基にした薬物送達モジュールが含まれています。すべてのモジュールのドライバーコードはMCUに統合されており、ユーザーは専用ソフトウェアを通じて信号をリアルタイムで監視し、神経調節関連のパラメータを制御できます。
2. 実験検証と応用シナリオ
モジュール式ブレイン・マシン・インターフェースの適用性を検証するため、研究チームは以下の4つのシナリオで実験を行いました：
シナリオ1：自由行動ラットの閉ループてんかん調節
研究チームは、ラットモデルにおいて、閉ループ薬物送達におけるブレイン・マシン・インターフェースの能力を検証しました。実験では、左側頭頂葉に折りたたみ式皮質電極（ECoG electrode）を埋め込んでてんかん活動を記録し、右側海馬体にマイクロチューブを埋め込んで薬物送達を行いました。研究チームは4-アミノピリジン（4-AP）を使用しててんかん活動を誘発し、リアルタイム検出アルゴリズムでてんかんイベントを識別した後、GABA（γ-アミノ酪酸）を投与して調節を行いました。実験結果は、GABAの投与がてんかん活動を有意に抑制することを示し、ブレイン・マシン・インターフェースの閉ループ神経調節における有効性を実証しました。
シナリオ2：ブタの多チャンネル神経記録
ブタの急性皮質記録実験では、128チャンネルの皮質電極を使用し、ブレイン・マシン・インターフェースの大型動物モデルにおける適用性を実証しました。実験では、異なる直径の記録部位からの神経活動を記録し、コンピュータソフトウェアで信号をリアルタイムに監視しました。結果は、微小な記録部位が広い面積の記録部位と同様の神経信号を捉えることができることを示し、ブレイン・マシン・インターフェースの皮質記録における可能性を強調しました。
シナリオ3：人間の頭皮からの脳波（EEG）記録
研究チームは、32チャンネルの柔軟なEEGパッチ電極を使用したイヤーハンギング構成を開発し、人間の頭皮からの脳波信号を記録しました。実験結果は、本デバイスが閉眼時と開眼時におけるα波の違いを効果的に検出できることを示し、人間のEEG記録における応用価値を検証しました。
シナリオ4：体外での方向性神経刺激
ブレイン・マシン・インターフェースが方向性深部脳刺激（Directional Deep Brain Stimulation, DDBS）において有効であることを確認するため、研究チームはMEMS（Micro-Electro-Mechanical System）ベースの全方位電極を設計しました。実験では、この電極が刺激電流を調整して三次元電界を生成できることを示し、深部脳刺激における可能性を提示しました。
3. 実験の結論と価値
研究チームが開発したモジュール式ブレイン・マシン・インターフェースは、統一されたインターフェースと柔軟なモジュール設計により、複数の機能をシームレスに切り替えることに成功し、神経科学研究のための高度な適応性を提供しました。このデバイスの価値は、その多機能性だけでなく、てんかん調節、皮質記録、EEG検出、深部脳刺激などの異なる実験シナリオにおける幅広い適用性にも現れています。
さらに、モジュール設計により、将来的に光学モジュールや温度センサーモジュールなどの他の機能モジュールを拡張する基盤が提供され、デバイスの潜在能力がさらに高まりました。研究チームは、各機能の実際の効果を実験で検証し、将来の臨床および研究応用のための信頼できる基盤を提供しました。
研究のハイライト
- モジュール設計：統一された物理インターフェースと通信プロトコルにより、機能モジュールのプラグアンドプレイを実現し、デバイスの柔軟性と拡張性を向上させました。
- 多機能性：神経記録、神経刺激、薬物送達などの複数の機能をサポートし、さまざまな実験シナリオに適用できます。
- 広範な応用：動物モデルと人間実験の両方で良好な性能を示し、異なる研究ニーズにおける適用性を検証しました。
- 革新的な実験方法：折りたたみ式皮質電極や全方位電極などの新技術を応用し、神経科学研究における新たなツールを提供しました。
その他の価値ある情報
研究チームは、リアルタイムで信号を監視しパラメータを調整するための専用ユーザーソフトウェアも開発し、デバイスの使いやすさをさらに向上させました。さらに、論文では電極の設計と製造プロセスを詳細に説明し、関連分野の研究者にとって重要な参考資料を提供しています。
このモジュール式ブレイン・マシン・インターフェースの革新的な設計は、神経科学研究に強力なツールを提供し、神経科学、臨床医学、ブレイン・マシン・インターフェース技術のさらなる発展を促進する可能性があります。