2021年最もエキサイティングな神経科学の発見7選

神経科学における発見のペースは年々、刺激的で容赦ないものがあります。実験室で培養されたミニ脳から、人間の脳の進化の秘密を解き明かす人工知能まで、2021年の驚くべきブレークスルー7つをご紹介します。.

適応型脳深部刺激療法による重度のうつ病の治療

カリフォルニア大学サンフランシスコ校の研究チームは、 脳深部刺激法 （DBS）を用いて、うつ病の症状が現れた場合にのみ適応的に治療する方法の開発に成功しました。脳深部刺激法では、脳内に電極を埋め込み、電流を流すことで脳の活動を変化させます。

これまでの研究では、DBSによるうつ病治療の成功率は限定的でした。これは、装置が脳の特定の領域にしか持続的な電気刺激を与えられないためです。しかし、うつ病は脳の様々な領域に影響を及ぼす可能性があり、うつ病の神経学的特徴は予測不能に増減することがあります。.

脳のペースメーカーを本質的に構築することを目指し、科学者たちは新たな神経バイオマーカーを解読しました。この特定の脳活動パターンは、症状の発症を効果的に予測します。この知見に基づき、研究チームは、そのパターンを認識した時と場所のみに作動する新しいDBS技術をカスタマイズしました。.

このタイプの自動オンデマンド療法は、患者の脳と疾患の原因となる神経回路の両方に固有の機能的反応を示す点で印象的です。このカスタムDBS法は、最初の試験で重度のうつ病患者に試験され、見事に成功しました。患者の症状はほぼ即座に緩和され、その効果は長期にわたって持続しました。.

不安や精神衛生上の問題が蔓延しているCOVID時代において、このアプローチは何億人もの人々にとって貴重な薬物を使わない治療法となる可能性がある。.

人間の聴覚を超えて

光波と同様に、人間は周囲を伝わる音波のうち、比較的狭い範囲のスペクトルしか認識できません。通常、人間が認識できるのは20Hzから20,000Hzまでの周波数帯で、これを超える周波数は超音波とみなされます。これはコウモリなどの動物が活動する周波数帯域であり、医療用超音波スキャンにも利用されています。.

高度な技術を駆使した新たな手法が、アールト大学の科学者たちによって開発され、 人間にコウモリ並みの聴力を与えるた。これは、20,000Hzをはるかに超える周波数を聞き取る能力だけでなく、音源の方向と距離を判別する能力も備えています。例えば生物学者にとっては、この装置によって、普段は目立たないコウモリが飛行中であっても追跡し、その位置を特定することが可能になります。

この技術は、球状のマイクアレイを介して超音波を録音し、超音波を検出してコンピューターで音の高さを可聴周波数に変換することで機能します。そして、変換された音波をヘッドホンからリアルタイムで再生します。通常は聞こえない音を認識できるようになることで、例えば、通常は聞こえないガス漏れを聞き分け、その位置を特定できるようになるなど、産業用途における価値ある応用が期待されます。.

AIが人間と同じように嗅覚を自律的に学習

神経科学は比較的新しい科学分野であり、急速に成長していますが、人工知能（AI）はそれよりもはるかに新しく、急速に成長しています。MIT の研究者たちは、これら2つの科学分野を融合させる可能性を明らかに。

機械学習を用いることで、人工ニューラルネットワークがわずか数分で嗅覚を自己学習し、哺乳類の脳の嗅覚回路を模倣できることを発見しました。これは非常に意義深いことです。なぜなら、このアルゴリズムは、生物学的に嗅覚を発達させるのに何百万年もかかる進化に関する知識を全く持たずに動作させられたからです。.

しかし驚くべきことに、人工ニューラル ネットワークは嗅覚の生物学的活動を非常に忠実に再現し、脳の嗅覚ネットワークがその機能に対して数学的に最適化されていることが明らかになりました。.

独立した機械学習によって脳内の回路の自然な構造を精密に模倣することは、AIが生物進化の内なる秘密を教えてくれるような新しい時代の到来を告げるかもしれません。嗅覚は2021年の出発点ですが、これがどこへ向かうのかは誰にもわかりません…

重度の麻痺患者の思考を文章に変換する神経補綴装置

カリフォルニア大学サンフランシスコ校の研究者たちは、 新しいタイプの発話神経補綴装置 。この方法は、脳幹が重度に損傷し全身麻痺を呈した男性に有効であることが実証されました。

驚くべきことに、この技術は声帯を制御する発話関連の脳信号を検知することで機能します。私たちが話すとき、声帯は会話で用いる多様な音を発音するために、複雑な運動機能の指示を必要とします。たとえ動けない状態でも、これらの信号は脳から送られます。.

研究者たちは、てんかん患者の脳記録を用いて、発声筋への指示をリアルタイムで単語に解読する方法を開発した。この神経パターンから、患者が考えている50種類の一般的な単語を確実に識別することができた。.  

患者に必要なのは、高密度電極アレイを装着し、言語運動皮質からの神経活動を捕捉・記録することだけでした。これにより、1分間に最大18語の翻訳が93%の精度で可能になりました。患者にとっての利点は、実際に話しているように振舞うだけで、50語の語彙から数百もの異なる文を意思疎通できることです。.

この画期的な進歩は麻痺患者に限定されているように思われますが、私たちは毎晩夢を見ている間、麻痺状態にあります（夢遊病でない限り）。このアプローチが十分に進化すれば、例えば睡眠中の思考そのものを翻訳する道が開かれるかもしれません。

複雑な神経活動を伴う人間のミニ脳の発達

技術的には「脳オルガノイド」と呼ばれるミニ脳は、 誘導多能性幹細胞。これらの幹細胞は、人の皮膚や血液から採取でき、あらゆる種類の細胞に分化する可能性を秘めている。その利点は、通常はアクセスが非常に困難な細胞構造を、原理的には培養・分離して研究できる点にある。これは特に脳にとって重要であるが、これまでのミニ脳は機能的な構造が限られていた。

今年達成した画期的な成果は、 オルガノイドの集合体を培養して複雑な三次元脳構造を形成することで、構造的複雑性を飛躍的に向上させた。研究者たちは、レット症候群（てんかん発作を伴う疾患）の患者から幹細胞を採取し、人間の脳の一部に類似した機能を持つミニ脳を培養することに成功した。これにより、発作の発症に似た電気活動パターンを安全かつ確実に観察することが可能になった。

この研究は、脳機能の一部を、個々の生きた細胞レベルまで分離し、実験室で研究できることを初めて示しています。重要な利点は、これらのミニ脳を培養することで、正常な脳機能と疾患のある脳機能の両方の側面を再現できるだけでなく、人や動物にリスクを与えることなく薬剤や治療法を試験できることです。.

人間の脳の規模は巨大であるため、研究できる脳構造の複雑さという点では依然として明らかな限界がありますが、この新たな神経科学の領域には明らかに SF のような可能性があります。.

次世代の脳コンピューターインターフェースの開発に「ニューログレイン」が利用される

近年のコンピューティング能力の飛躍的な向上に伴い、マイクロチップは年々小型化が進んでいる。 ブラウン大学の技術系神経科学者たち は、人間の目では見落としてしまうほど小さなワイヤレスコンピュータを開発した。塩粒ほどの大きさであることから「ニューログレイン」と名付けられたこのマイクロチップは、脳活動の追跡とモニタリングを目的として開発された。  

これらの超小型コンピューターは、近くのニューロンの電気活動を記録し、そのデータを無線で送信することができます。目標は、小型センサーのネットワークが脳活動の重要な側面を集合的に追跡し、その情報を近くのハブに送信する、新しいタイプの脳コンピューターインターフェース（BCI）システムの開発でした。.

研究者たちは概念実証実験において、ネットワークを導入し、これまでにないほど高精度にげっ歯類の神経活動を記録することに成功しました。脳信号を前例のないほど詳細に記録するこの技術はまだ初期段階ですが、この技術的ブレークスルーは、身体的な努力なしに脳波を実世界で役立つ行動に変換できるという大きな可能性を秘めています。.

全盲者の機能的視力回復

今年、新しいタイプの 微小電極アレイが 、視覚補助装置を介して一種の人工視覚を作り出すために使用されました。ユタ大学ジョン・A・モラン眼科センターの科学者たちは、 この装置を開発しました 視覚皮質内の神経活動を記録し、刺激する

このアレイは眼球内に埋め込まれ、小型ビデオカメラを内蔵した眼鏡を通して視覚情報を受信し、専用のソフトウェアで処理されます。すると、この装置は網膜ニューロンを活性化し、あたかも光点を捉えているかのように閃光を発生させます。これにより、線や図形といった基本的なイメージを脳で認識することが可能になります。.

この方法は全盲の患者を対象に試験され、効果的であることが証明され、手術や神経刺激による合併症もありませんでした。この最初の試験では、1つのアレイのみが使用されました。しかし、次の目標は、7～10個のアレイを使用して、より詳細な画像を提供し、視覚障害者が実際に視覚的に世界を移動できるようにすることです。.

新たな注射分子療法が重度の脊髄損傷を修復

ノースウェスタン大学の研究者らは、新たな種類の「踊る分子」を応用し、重度の脊髄損傷における組織修復と 麻痺の回復に成功した。この「踊る」とは、これらの分子の動きを操作することで、通常は到達不可能な細胞受容体へと巧みに入り込み、神経組織の修復を促すことを意味する。

これらの魔法のような分子は、カスケードシグナルを発動させ、軸索の再生を促し、様々な新しい細胞の誕生を促すことで、損傷後のニューロンの生存を助けます。これは、細胞の治癒に必要な失われた血管の再生をサポートします。.

マウスを用いた試験では、この分子療法を1回注射するだけで、麻痺したマウスは4週間以内に再び歩けるようになりました。ありがたいことに、12週間後（回復が完全に完了してからかなり後）、この物質は副作用なく細胞の栄養源として生分解され、体内から自然に消失します。.

VRは高所恐怖症を克服する治療法を提供する

仮想現実（VR）は、私たちが感覚情報をどのように知覚するかを研究するために、心理物理学者によって数十年にわたって利用されてきました。今年、スイス最古の大学であるバーゼル大学の研究者たちは、 高所恐怖症を実際に治療するための仮想現実アプリケーションを。

と呼ばれる Easyheightsこのスマートフォン対応ソフトウェアは、実際の場所の360度画像を用いた曝露療法を提供する。VRヘッドセットを装着したユーザーは、地上1メートルの高さから始まるプラットフォームに立ち、ユーザーが各段階の高さに慣れるにつれてプラットフォームが徐々に上昇していく。恐怖心を高めることなく、高さに対する感覚的な曝露を増やすことで効果を発揮する。

臨床試験では、この没入型治療法の有効性が実証され、実際の高所恐怖症の症状が著しく軽減されました。自宅でわずか4時間のトレーニングで、その効果を実感できました。この発見は、神経科学の知識と最新のテクノロジーを組み合わせることで、人々の生活の質を臨床的に、しかも容易にアクセスできる方法で向上させることができることを示しています。.

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