2023年の神経科学における9つの興味深いブレークスルー

神経科学は、科学分野の中で最も急速に進歩している分野の一つであるだけでなく、最も多様性に富んだ分野の一つでもあります。2023年には、幅広い分野において多くの興味深い研究が加速しました。ここでは、人間の脳と、脳を通して私たちが関わる世界についての理解を深める上で重要なブレークスルーをいくつかご紹介します。.

1. 脳の電気的活動はニューロンを再構築できる

従来、脳の電気活動は、ニューロンからのシグナル伝達によって発生する下流の活動と考えられてきました。しかし、ジョンズ・ホプキンス大学とMITの神経科学者による新たな論文では、これらの電気信号が脳を細胞下レベルまで再構築できるという理論が提唱されています。.

「細胞電気結合」と呼ばれるこの理論は、神経ネットワークの活動によって生成される脳の電界がニューロンの細胞内成分の物理的構成に影響を及ぼし、ネットワークの安定性と効率を最適化できると提唱している。.

これは、神経ネットワーク内のリズミカルな電気活動、つまり「脳波」と、分子レベルでの電界の影響が、脳の機能を調整・調節する仕組みを示した以前の研究に基づいています。.

微小管および分子レベルで電気的に誘発されるこの種の神経可塑性は、人間の認知がなぜこれほどまでに柔軟であるのかを理解するための新たな道筋を提供します。.

これを実現するメカニズムとしては、電気拡散、機械変換、電気エネルギー、位置エネルギー、化学エネルギーの交換などが挙げられます。.

主任研究者がまとめたように、「この研究は、 𝙘𝙝𝙖𝙣𝙜𝙚 𝙩𝙤𝙤。私は今、この瞬間に生きている芸術、文学、政治𝙨𝙞𝙜𝙣𝙖𝙡𝙨。私は常に最善を尽くす「芸術だ。」

今年初め、量子もつれが高次認知と関連していることが発見されました。ニューロンのレベルを超えたこの種の新しいパラダイムは、神経科学を次のレベルに進める鍵となる可能性があります。.

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2. 脳細胞における量子生物学的トンネル効果の活用

Nature Nanotechnology に掲載された論文では、脳細胞内の量子生物学的トンネル効果の操作による神経膠芽腫がんの治療という新たな健康治療パラダイムが示唆されている。.

研究者たちは、量子力学的事象が生物の機能の基盤となる特定の生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たしているという先行研究に基づいて、この技術を開発した。この手法では、金の双極性ナノ電極（バイオナノアンテナと呼ばれる）を手術部位に噴霧する。.

次に、個々の腫瘍細胞の電界を特異的に標的とし、刺激する精密な電界を印加します。これにより、電子トンネル効果を操作して単一の電子が移動し、細胞のタンパク質状態が変化します。この現象は量子生物学的電子移動（QBET）として知られています。.

これは次に、がん細胞にプログラム細胞死（アポトーシス）を活性化させる信号を送ります。正常な脳細胞は電気刺激に対して鈍感ですが、腫瘍細胞は非常に敏感です（研究者たちは、これは遺伝子経路の発現が変化しているためだと推測しています）。.

これは実質的に、がん細胞の死滅を促進する無線電気分子通信ツールです。このアプローチは従来の外科手術に比べて侵襲性が低く、腫瘍細胞が正常細胞の間で過剰に増殖しているために外科手術が不可能な場合に使用できます。.

研究者らは、刺激の電気周波数と電圧のさまざまな側面によって、さまざまな種類の癌細胞を標的にすることができると提案している。.

電気刺激を促進するバイオナノアンテナの送達方法にはいくつかの限界があるかもしれないが、この研究は量子レベルでの細胞の生物学的変化を活用する量子医療療法の初めての実証であると思われる。.

まだ初期段階かもしれないが、研究著者のフランキー・ローソン氏は、この研究結果の幅広い意義を要約した。.

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3. 受動的な認知機能向上剤としての嗅覚の利用

嗅覚を介した認知刺激の潜在的利点を調査する新たな研究により、睡眠中の老化における脳機能への利点に関する有望な発見が明らかになりました。

本研究の主目的は、嗅覚エンリッチメントが健康な高齢者の認知機能にプラスの影響を与えるかどうかを調査することであった。研究者らは、嗅覚が記憶に関連する脳領域に特異的にアクセスすることが、特定の記憶回路を正常化し、認知能力に有益な影響を与える可能性があるという仮説を立てた。.

参加者は毎晩限られた種類の匂いにしか触れられなかったにもかかわらず、この研究は説得力のある結果をもたらしました。エンリッチメントを受けた参加者は、言語学習と記憶に関連する能力を評価するレイ聴覚言語学習テストにおいて、対照群と比較して226%の成績向上を示しました。.

より具体的には、DTI fRMI スキャンの前後で、脳の構造的変化が明らかになりました。これには、加齢や神経変性疾患で一般的に劣化する鉤状束領域における良好な変化が含まれます。.

この研究では、嗅覚刺激を受けた60～72歳の参加者は、それより年上の参加者よりも認知能力が顕著に向上したことも明らかになっており、高齢化に伴うメリットは積極的に得るのが最善である可能性を示唆している。.

重要な点は、受動的な感覚刺激を活用することで、高齢者層に適切な方法で脳の健康と認知機能を安全かつアクセスしやすい方法で改善できる可能性があるということです。.

芸術と文化芸術と文化

4. StimNETS - 脳深部刺激法の画期的進歩

脳深部刺激療法は治療効果に大きな期待が寄せられているものの、埋め込み型電極の侵襲性や、刺激するニューロンの精度が低いことなどが大きな障壁となっている。Cell Reports誌に、超柔軟刺激ナノエレクトロニクス糸（StimNET）の開発による画期的な成果が掲載された。.

この新しいタイプの電極は従来のインプラントよりも一桁小さく、それゆえはるかに高精度です。本論文では、ラットおよび第一段階のヒト臨床試験における実験的証拠を示し、StimNETがいくつかの重要な利点を有することを示しています。.

• 正確な慢性刺激を可能にする超柔軟な電極

• 超低電流での空間選択的神経活性化

• 8ヶ月以上にわたり安定した行動検出が可能

• 神経変性のない組織-電極インターフェース

特に、StimNETは、ニューロンの大きなクラスターを活性化するのではなく、個々のニューロンを選択的に刺激することができます。これは、混雑した部屋にいる人にメッセージを伝える必要があるときに、スピーカーではなく電話で伝えられるようなものです。.

深部脳刺激法の実用化に大きな期待が寄せられているだけでなく、この神経技術の選択的精度により、研究者は特定の神経疾患にどのようなタイプの電気刺激が効果的かを、より正確に知ることも可能になります。.

芸術、文学、歴史芸術

2023年の神経科学における画期的な進歩として、脳深部刺激療法が初めてアルツハイマー病の症状緩和に有望な効果を示すことが示されました。効果を発揮するには、電極の配置をピンポイントの精度で決定する必要があり、様々な脳疾患において、脳のどの領域に刺激を集中させるべきかを正確に把握することは困難です。.

ハーバード大学医学部の研究者たちは、脳の高解像度磁気共鳴画像の解析を専門とし、その手法とコンピュータモデルを組み合わせることで、刺激を与える最適な部位を正確に特定することに成功しました。交差する記憶領域間のこの正確な「スイートスポット」により、被験者の症状は大幅に軽減されました。.

DBS が治療薬として承認されるまでにはさらなる臨床研究が必要ですが、この研究で公開されたデータにより、研究者はアルツハイマー病患者に DBS を試す神経外科研究で電極を正確に配置することが可能になりました。.

芸術と文化芸術そのもの

5. CRISPRによるクマムシ類の遺伝子のヒト細胞への組み込み

中国の軍事医学科学者チームは、CRISPR/Cas9を使用してクマムシの遺伝子をヒトの胚性幹細胞に挿入することに成功し、放射線に対する耐性が劇的に向上したという研究結果を報告した。.

クマムシ（別名ウォーターベアー）は体長1ミリメートル未満で、地球上で最も丈夫な生物です。長年にわたる科学的実験により、宇宙空間、マイナス200度の環境、そして沸騰したお湯に1時間以上浸かっても生き延びてきました。.

研究者らは、ヒト胚細胞のほぼ90%が致死量のX線照射を生き延びたと報告した。これほど大きな遺伝子ギャップを持つ細胞同士の混合は、通常は有害な変異しか引き起こさないことを考えると、この結果は非常に驚くべきものであり、CRISPRが従来の遺伝子実験の限界を超える可能性を示唆している。.

人工的に作製された幹細胞を用いることで技術的には合法であるものの、この研究は非常に物議を醸しています。長期的な目標は、核放射能にも耐えうる超人的な兵士を開発することです。研究チームの今後のプロジェクトの一つは、クマムシに注入した細胞を造血細胞に変換し、骨髄に移植して新たな放射線耐性細胞を生成することです。.

その一方で、クマムシの遺伝子は、がん、老化、糖尿病、炎症、パーキンソン病など、多くの疾患の発症の中心となる酸化ストレスに対して細胞のDNAを保護する役割を果たすなど、人間に他の利益をもたらす可能性もあります。.

科学者らがクマムシのDNAをヒト幹細胞に導入

6. ディープラーニング技術がMRIスキャンの解像度を劇的に向上

大阪大学の研究チームは、人工知能（AI）を用いて細胞や組織の超解像画像を作成できる画期的な技術を開発しました。研究チームは、MRI装置内で最大1万枚の画像を見せられた被験者の脳スキャン画像を、安定拡散法を用いて解析しました。.

「Deep-Z」と呼ばれるこの新しい手法は、ディープラーニングアルゴリズムを使用して低解像度の画像から詳細な情報を抽出し、より正確な詳細を備えた高解像度の画像の作成を可能にします。.

この画期的な技術は、科学者が細胞や組織をかつてないレベルで詳細に研究することを可能にするため、生物医学研究に大きな意味をもたらします。研究チームは、脳、網膜、肺など、さまざまな種類の細胞や組織でこの手法を試験し、既存の技術よりも優れた結果を達成しました。.

Deep-Z法の最も魅力的な側面の一つは、医療診断と治療への応用可能性です。細胞や組織の高解像度画像を作成することで、医師は病気の早期段階を特定し、より的を絞った治療計画を立てることができるようになるでしょう。.

が開発している脳コンピューターインプラントのような超侵襲的な技術にも応用できる可能性があるニューラリンク社。

全体として、Deep-Z 技術はバイオメディカルイメージングの分野における大きな前進であり、医療研究と治療に革命を起こす可能性を秘めています。.

潜在拡散モデルを用いた人間の脳活動からの高解像度画像再構成

7. ゼノボット?!

今年、生物学者とコンピュータ科学者のチームが、カエルの細胞から作られた、1mm未満の自己修復機能を持つ生物機械を開発しました。この機械は「Xenobots（ゼノボット）」と名付けられ、人体内を移動できるほど小型のアフリカツメガエルにちなんで名付けられました。.

この技術では、カエルの胚から生きた幹細胞を採取し、培養した後、機械知能によって設計された特定の体型へと再形成します。細胞分化によって体毛（毛状の突起）が形成され、これが脚のように利用されて生物学的に新しい移動手段となります。.

Xenobotsはまだ開発の初期段階ですが、プログラム可能な世界初の生体ロボットです。近年の進歩により、複製が可能になり、プロセスのスケーラビリティが向上しました。.

Xenobots の期待される用途としては、非常に特異的かつ正確な薬物送達、癌腫瘍の除去などの局所疾患の治療、さらには世界中の海からプラスチックや合成微粒子を除去するためのスケーラブルな手段などがあります。.

さらに詳しく知りたい方は、ゼノボットの行動を誘導する AI ソフトウェアを開発している博士研究員、サム・クリークマン氏によるビデオ説明をご覧ください。.

8. MDMA補助療法によるPTSD治療の初の成功

近年、科学界は幻覚剤の治療効果にますます注目しています。中でも、エクスタシーとして知られるMDMA（3,4-メチレンジオキシメタンフェタミン）は、心的外傷後ストレス障害（PTSD）の治療薬として有望な候補として浮上しています。Nature Medicine誌に掲載された画期的な臨床研究において、研究者らはMDMAを用いた心理療法がPTSD治療の分野に革命をもたらす可能性を示唆する説得力のある証拠を明らかにしました。.

第3相臨床試験では、治療抵抗性PTSD患者に対し、中等量のMDMAを併用した従来の心理療法を数ヶ月間実施しました。MDMAは心理療法の効果を2倍以上に高め、大多数の患者が症状の消失に加え、試験後の追跡調査でも継続的な健康状態の改善を示しました。.

全体的な結果は、MDMA に関連した認知機能の変化が、反応性と持続的なプラス効果の両方の点で心理療法のメリットを大幅に高めたことを示唆しています。.

重症PTSDに対するMDMA補助療法：ランダム化二重盲検プラセボ対照第3相試験

9. VRは脳の驚くほど柔軟な身体所有感覚を明らかにする

心理物理学は、人間の脳が感覚的現実をどのように処理するかを解明する神経科学の一分野です。2023年における最大かつ最も驚くべき発見のうち2つは、仮想現実（VR）実験によって達成されました。.

最初の研究では、「ファントムタッチ錯覚」と呼ばれる新たな体験現象が発見されました。この研究では、VR空間内に人物のシンプルなアバターを作成し、参加者に仮想の棒でアバターの体の様々な部位に触れるように依頼しました。実験では、参加者は実際に身体のどの部位にも触れられなかったにもかかわらず、ほぼ全員がアバターに触れた部位に対応する強い触覚感覚を報告しました。この効果は非常に強烈で、研究者が騙そうとしているのではなく、実際には何らかの触覚刺激を与えているのではないかと疑う参加者もいました。.

最も顕著なのは、被験者がVR内では実際には見えないアバターの手足の一部に触れた際に、感覚が生じたことです。これは、身体表現が利用可能な感覚情報を超えて、トップダウン的に定義されていることを示唆しています。.

触覚刺激がない場合の触覚ゲーティングの予期せぬ現象的効果であるファントムタッチ錯視