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神経科学の発見のペースは年々、刺激的かつ容赦なく進んでいます。研究室で作られたミニ脳から、人間の脳の進化の秘密を明らかにする人工知能まで、2021 年の最も驚くべき 7 つの進歩をお楽しみください。
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（DBS）を利用して、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た。脳深部刺激では、脳内に電極を埋め込んで電流を流し、脳の活動を変化させます。
これまでの研究では、DBS によるうつ病の治療の成功率は限られていました。これは、デバイスが脳の 1 つの領域に一定の電気刺激しか提供できなかったためです。しかし、うつ病は脳のさまざまな領域に影響を与える可能性があり、うつ病の神経サインは予測不能に増減する可能性があります。
基本的に脳のペースメーカーを作成することを目的として、科学者たちは新しい神経バイオマーカーを解読しました。この脳活動の特定のパターンは、症状の発症を効果的に予測します。この知識をもとに、チームは、そのパターンを認識したときと場所でのみアクティブになる新しい DBS テクノロジー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、その機能的反応が患者の脳と病気の原因となっている神経回路の両方に固有のものであるため、印象的です。最初の試験では、このカスタム DBS メソッドは重度のうつ病に苦しむ患者を対象にテストされ、見事に合格しました。ほぼ即座に患者の症状は軽減されましたが、この状態は長期にわたって続きました。
不安やメンタルヘルスの問題が蔓延している新型コロナウイルスの時代において、このアプローチは何億人もの人々にとって非常に貴重な薬物を使わない治療法となる可能性がある。
光波と同様に、人間は周囲を伝わる音波の比較的小さなスペクトルしか認識できません。通常、20 Hz ～ 20,000 Hz の周波数のみを拾うことができ、これを超える周波数は超音波とみなされます。これはコウモリのような動物が活動する周波数範囲であり、超音波医療スキャンでも使用されます。
人間にコウモリレベルの聴覚を与える装置が開発されました。これには、20,000 Hz をはるかに超える周波数を聞く能力だけでなく、音源の方向と距離を識別する能力も含まれます。たとえば生物学者にとって、これにより、飛行中のコウモリを追跡し、その位置を特定できるようになります。
これは、球状マイクアレイを介して超音波を記録することによって機能し、超音波を検出し、コンピューターを使用してピッチを可聴周波数に変換します。次に、変換された音波をヘッドフォンを通じてリアルタイムで再生します。通常は聞こえない音を知覚できるようになれば、例えば、静かなガス漏れを聞いて位置を特定できるなど、貴重な産業用途が可能になる可能性があります。
神経科学は比較的新しく急速に成長している科学分野ですが、人工知能 (AI) はより新しく、より急速に成長しています。これら 2 つの科学分野を組み合わせる可能性が、 MIT の研究者によって明らかにされ。
彼らは、機械学習を使用して、人工ニューラルネットワークがわずか数分で匂いの嗅ぎ方を自己学習し、実際に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。実行されたアルゴリズムには、生物学的に匂いを発達させるのに必要な何百万年もの進化に関する知識がなかったので、これは深刻です。
しかし驚くべきことに、この人工ニューラルネットワークは匂いの生物学的活動を非常に厳密に再現したため、脳の嗅覚ネットワークがその機能に合わせ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る脳内の回路の自然な構造の正確な模倣は、AI が生物学的進化の内なる秘密を私たちに教えてくれる新しい時代の到来を告げるかもしれません。 2021 年のスタート地点は嗅覚ですが、これがどこにつながるかは誰にもわかりません…
カリフォルニア大学サンフランシスコ校の研究者らは、話すことができない麻痺患者のために、新しい種類の音声神経人工装具この方法は、脳幹に重度の損傷があり、全身麻痺を引き起こした男性に対して実証され、成功した。
やや驚くべきことに、声帯を制御する音声関連の脳信号を検出することによって機能します。私たちが話すとき、会話中に使用するさまざまな音を明瞭に表現するために、声帯は複雑な運動機能の指示を必要とします。たとえ動けなくなったとしても、これらの信号は脳から送られることがあります。
科学者らは、てんかん患者の脳記録を使用して、声筋への指示をリアルタイムで言葉に解読する方法を開発した。これらの神経パターンから、彼らは患者が考えているときに常に 50 種類の一般的な単語を確実に識別することができました。
必要なのは、患者が高密度の電極アレイを装着して神経活動を捕捉して記録することだけで、言語運動野からの信号が記録された。これにより、1 分あたり最大 18 ワードを 93% の精度で翻訳できるようになりました。患者にとっての利点は、実際に話しているように振る舞うだけでよく、50 語の語彙から何百もの異なる文を伝えることができることでした。
この画期的な進歩は麻痺のある患者に限定されているように見えますが、私たちは毎晩夢を見ているときに麻痺を経験します（寝ながら歩いている場合を除く）。このアプローチが十分に進化すれば、たとえば、寝ている間に私たちの思考そのものを翻訳する道が開かれる可能性があります。
専門的には「脳オルガノイド」と呼ばれるミニ脳は、人工多能性幹細胞。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変化する可能性があります。利点は、通常はアクセスが非常に難しい細胞構造を、原理的には研究のために増殖させて単離できることです。これは特に脳に関係しますが、以前のミニ脳の機能構造は限られていました。
今年の画期的な進歩により、オルガノイドの集合体を成長させて複雑な三次元脳構造を形成することで、構造の複雑さが飛躍的に向上した。研究者らは、レット症候群（発作を伴う症状）の患者から幹細胞を採取し、人間の脳の一部と同様の機能活性を持つミニ脳を成長させることができた。これは、発作の始まりに似た電気活動のパターンを安全かつ首尾よく観察できたことを意味します。
この研究は、脳機能のいくつかの側面を実験室で個々の生きた細胞のレベルまで分離して研究できることを初めて示しました。主な利点は、これらのミニ脳を成長させて、正常な脳機能と病気の脳機能の両方の側面を再現できること、また人や動物にリスクを与えることなく薬や治療法をテストできることです。
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の点では依然として明らかな制限がありますが、この新たな神経科学領域には明らかに SF のような可能性があります。
ここ数十年における計算能力の急激な成長に伴い、マイクロチップは年々小型化しています。ブラウン大学のテクノロジーに焦点を当てた、人間の目では簡単に見逃してしまうほど小型のワイヤレスコンピューターを開発しました。塩粒ほどの大きさであることから「ニューログレイン」と呼ばれるこの粒子は、脳の活動を追跡し監視するために開発されました。
これらの超小型コンピューターは、近くのニューロンからの電気活動を記録し、そのデータをワイヤレスで送信できます。目標は、ミニセンサーのネットワークが脳活動の意味のある側面を集合的に追跡し、その情報を近くのハブに送信できる、新しいタイプのブレイン・コンピューター・インターフェース (BCI) システムを開発することでした。
概念実証実験において、研究者らはネットワークを展開し、これまでに達成されたよりもはるかに高い精度でげっ歯類の神経活動を記録することに成功しました。前例のない詳細な脳信号の記録はまだ初期段階にありますが、この技術的進歩により、物理的な努力を必要とせずに脳波を有用な現実世界の行動に変換できるようになり、大きな期待が寄せられています。
今年、新しいタイプの微小電極アレイが、視覚補綴物を介して人工視覚の形式を作成する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らは、視覚野内の神経活動を記録し刺激する装置を構築した
眼内に埋め込まれたこのアレイは、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け取り、データは専用ソフトウェアによって処理されます。次に、このデバイスは網膜ニューロンを活性化し、あたかも光点を受け取っているかのようにホスフェンを生成します。次に、線や形の基本的なイメージを心で認識できるようにします。
全盲の患者を対象にこの方法を試したところ、この方法は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は発生しませんでした。この最初のテストでは、単一のアレイのみが使用されました。ただし、次の目標は、7 ～ 10 個のアレイを使用して、視覚障害者が実際に世界を視覚的にナビゲートできるようにする、より詳細な画像を提供することです。
ノースウェスタン大学の研究者らは、新しい種類の「踊る分子」を応用して、重度の脊髄損傷の組織を修復し、麻痺を回復させることに成功した。ダンスの部分では、これらの分子の動きを操作して、神経組織の修復の準備を整えるために、通常は到達できない細胞受容体に分子が小刻みに侵入できるようにします。
これらの一見魔法の分子は、カスケード信号を発し、軸索の再生を引き起こし、さまざまな新しい細胞型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。
マウスで実験したところ、分子療法を1回注射しただけで、麻痺したマウスは4週間以内に再び歩くことができるようになった。やや都合の良いことに、12 週間後 (回復が完了してからかなり後)、材料は副作用なく細胞の栄養素に生分解され、効果的に体内から自然に消失します。
仮想現実 (VR) は、私たちが感覚情報をどのように認識するかを調査するために、精神物理学者によって数十年にわたって使用されてきました。今年、スイス最古の大学であるバーゼル大学の研究者らは、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。
Easyheightsと呼ばれるスマートフォン対応ソフトウェアは、実際の場所の 360° 画像を使用して曝露療法を提供します。ユーザーは VR ヘッドセットを装着して、地上 1 メートルから始めて、高さの各段階に慣れるにつれて徐々に上昇していきます。これは、恐怖のレベルを高めることなく、高所への感覚露出を増やすことによって機能します。
臨床試験では、この没入型治療の有効性が実証され、実際の高さの状況での恐怖症が大幅に軽減されました。わずか 4 時間の自宅トレーニングでその効果を実感できました。この発見は、神経科学の知識と今日のテクノロジーを組み合わせることで、簡単にアクセスできる方法で人々の生活の質を臨床的に向上させることができることを示しています。
ここでは、あなたが知らないかもしれない人間の脳に関する興味深い神経科学の発見をいくつか紹介します。
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