脳表面の神経活動を可視化する脳波マイクロディスプレイ
脳表面ニューロン活動を可視化する脳波マイクロディスプレイ
背景紹介
現在の脳外科手術における機能的マッピングは主に神経外科医と電気生理学者の間の言語的なやり取りに依存しています。これらのプロセスは時間がかかり、分解能が限られています。さらに、脳活動を測定するための電極グリッドの分解能は低く、脳表面にしっかりと密着させることは難しいです。手術中にリアルタイムで脳表面のニューロン活動をより効果的に監視および表示するために、本研究では2048個の窒化ガリウム（GaN）発光ダイオード（LED）を搭載した脳内電気生理学マイクロディスプレイ（iEEG microdisplay）を提案および開発しました。
研究概要
本論文はYoungbin Tchoeらによって書かれ、カリフォルニア大学サンディエゴ校の電子計算機工学科、生物医学工学科、麻酔科、神経外科科およびその他の部門に所属しています。本論文は2024年4月24日の《Science Translational Medicine》に掲載されました。
研究作業フロー
実験設計と方法
本研究は多段階の実験を統合しており、実験動物（マウスとブタ）の選定、ディスプレイの構築と検証、およびさまざまな刺激と病理モデルにおける電気生理信号の検出を含みます。
ディスプレイの構築
開発されたiEEGマイクロディスプレイは、超薄のポリイミド層に2048個のGaN μLEDを埋め込んでいます。GaN μLEDが選ばれた理由は、その高効率低消費電力であり、明るい手術環境下で高輝度の光出力を提供し、最小の熱を発生させることができるためです。ディスプレイは量子ドットカラー変換技術を使用して、複数の色を発することができ、脳活動パターンの視覚表現が豊かになります。
構築と検証
ディスプレイを構築するために、GaN μLEDアレイをプラチナナノロッド（PtNR）グリッドと組み合わせ、一連の実験が行われました。実験には温度変化および脳組織に対する熱影響の確認、ディスプレイの電気的安全性の検証などが含まれます。結果として、操作中にディスプレイは安定した温度を維持し、脳組織に著しい損傷を与えることはありませんでした。
実験結果
機能皮質境界の検出
マウスおよびブタモデルを使用して、本研究は手術現場において異なる色のLEDを用いて機能皮質境界、特に運動皮質（M1）および体性感覚皮質（S1）のリアルタイム表示を行いました。
個々の皮質柱の識別
局所的な感覚マッピングを通じて、研究チームはそれぞれブタの顔や四肢に電気刺激および空気打撃を行い、局所的な高ガンマ応答（HGA）をリアルタイムで表示することに成功しました。これらの実験は、iEEGマイクロディスプレイが皮質柱および対応する脳領域の活動を表示する能力を有することを示しています。
電気刺激応答の表示
双極プローブおよびステレオ電気生理プローブを使用してブタの脳に深部電気刺激を行い、ディスプレイは電気刺激応答の電位分布図をリアルタイムで表示することに成功しました。
病理活動の動的監視
異なる神経毒素によって誘導されたてんかん様活動（例えば、ビククリンおよび4-アミノピリジン）を利用し、ディスプレイは病理波の動態を表示でき、発作の発生および伝播をリアルタイムで監視できました。
結論および意義
本研究は、iEEGマイクロディスプレイがリアルタイムで脳皮質活動を表示できる可能性を示し、脳外科手術の精度および効率を大幅に向上させることができます。高解像度のリアルタイム視覚フィードバックを通じて、iEEGマイクロディスプレイは既存の脳機能区画技術を代替し、脳外科手術の精度および安全性を向上させることが期待されます。
研究の特長
- 高解像度および高度に視覚化された脳皮質活動マッピングを提供する新しいリアルタイムiEEGマイクロディスプレイ技術を提案しました。
- GaN μLEDとPtNRグリッドを組み合わせることに成功し、多彩な視覚表現を提供し、手術現場でのリアルタイム動的監視を実現しました。
- 病理波動態を処理する際に高度な応用前景を示し、手術中に機能的および病理的脳区域を正確に識別することに寄与します。
将来の応用と展望
本研究のiEEGマイクロディスプレイは、将来の脳外科手術および神経科学基礎研究に対して潜在的な技術進歩を提供します。将来の改良方向としては： - ノイズ干渉をさらに低減し、表示品質を向上させること； - フルカラー表示能力を増加させ、視覚効果をさらに強化すること； - 人体への応用試験および検証を行い、装置の臨床的安全性と有効性を確保すること；
本研究は、脳機能区画と術中神経監視に対する新しい技術手段を提供し、広範な臨床および研究応用前景を示しています。