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他のどの科学分野よりも早く画期的な進歩が見られる中、近年、神経科学では多くのことが起こっています。ここでは、私たちが何者であるか、あるいは私たちが何者になり得るかについての先入観に疑問を投げかける、本当に驚くべき神経科学の研究を 22 件ご紹介します。
今年の初めに、MIT の科学者は、新しい技術。これが初めて適切に達成されました。さらに、これは生きたマウスで行われ、マウスの脳領域全体にわたってリアルタイムでマッピングが実行されます。このビデオは、マウスにさまざまな画像を表示すると、脳の構造と生きた活動の結合が変化する様子を観察することがいかに興味深いかを示しています。
バンガード技術は、第 3 高調波発生 ( THG ) 3 光子顕微鏡法と網膜局所マッピング、電気的シグネチャを介して深部脳組織を通して活動を観察できるようになります。
また、驚くべき分解能を実現し、個々のニューロンとその下部構造だけでなく、脳の処理速度に重要な要素として知られる微細な血管や絶縁体の一種であるミエリンを
この研究は脳の視覚中枢に焦点を当てましたが、同じ方法を他の領域の研究にも使用できます。これは、健康な脳状態と病気の脳状態の違いや、脳が環境刺激にどのように反応するかを理解するための強力なツールになることが期待されています。
COSMOS二焦点顕微鏡技術で重要な進歩を遂げました。彼らの研究では、マウスの脳の大脳皮質全体にわたる神経活動の動画が撮影されました。
これらの信号は、基本的に 3 つの異なる角度から脳を撮影し、計算によって信号を抽出して、左右の半球にわたる巨視的な活動のライブ ビデオを提供することによって記録されました。これは、実際の脳が動作している驚くべき電気的嵐を文字通り見ることができるサンプルです。
大脳皮質が複雑で高次の認知機能を処理するにつれてたとえば、感覚的認識と運動機能に依存する決定の関係を理解するためです (対向車をどの方向に回避するかを決定する際に何が関係するかを考えてください)。
研究者らはまた、COSMOSが精神科薬の効果をスクリーニングするための低コストの方法となり、より機能的に効果的な薬を開発できると期待している。
以前のブログで取り上げたようにディープ マインドの大きな進歩は、人間の心の新皮質柱を模倣することで実現しました。これにより、わずかなコンピューティング能力を使用してインテリジェンスが大幅に向上しました。その結果、この人間モデルの AI は、自分のゲームで世界最高のチェス、囲碁、さらには eSports プレーヤーをも超えるようになりました。
完全には理解されていませんが、睡眠は哺乳類と人間の脳にとって重要な機能を提供しており、睡眠不足が続くと常に深刻な問題が発生します。今年、ロスアラモス国立研究所は、急増する AI システムの計算ネットワークも一種の睡眠不足に陥り、休憩なしで長時間動作すると不安定になることを発見しました。しかし、睡眠中に経験する脳波と同様のネットワーク状態にすると、最適なパフォーマンスが回復されました。
大したことではないように聞こえるかもしれませんが、AI の進歩により、私たちの生活が大きく変わる可能性があります。この研究結果はまた、神経科学と AI 分野の分野を融合することで、超スマート コンピューターの新時代が生まれる可能性があることを示唆しています。
運動ニューロン疾患による重度の上肢麻痺患者の生活の質を改善するために、極小の脳デバイスがメルボルン大学で実施されたこの実験参加者の脳内に新しいマイクロテクノロジーが埋め込まれました。
Stentrode™ と呼ばれるデバイスは、鍵穴手術によって首に挿入され、そこから血管を介して運動皮質に移動しました。この低侵襲な方法により、開脳手術に伴うリスクと回復の合併症が回避されます。
このインプラントは、ワイヤレス技術を使用して特定の神経活動をコンピューターに中継し、そこで患者の意図に基づいた動作に変換します。驚くべきことに、この小さなチップにより、患者はクリックやズームなどの操作を実行し、93% の精度で文字を書くことができ、テキストメッセージ、電子メール、オンラインショッピングなど、私たちが当たり前だと思っていることを患者が行うのに役立ちました。
まだ初期の段階ですが、この治療の低侵襲性は、あらゆる種類の認知障害を持つ人々を助けるマイクロニューロテクノロジーの大きな可能性を示しています。
2018年、科学者たちが幹細胞を特定のニューロンに再プログラムする方法を学んだことを報告しました今年、米国の 4 つの異なる大学の研究者が、寿命延長という聖杯に向けて大きな一歩を踏み出しました。正常な細胞を操作して前駆細胞に変えることができ、前駆細胞は死にかけている細胞を置き換えるためにあらゆる種類の細胞に変形することができます。
彼らの概念実証はゼブラフィッシュのグリア細胞を使って行われ、グリア細胞を効果的に幹細胞に変換し、損傷した網膜細胞を検出して修復し、障害のある視力を回復しました。
細胞死、またはアポトーシスは、人間の必然的な自然老化において大きな役割を果たします。研究者らは、脳内のニューロンの再生プロセスも同様になると考えている。成功すれば、ニューロンの死滅により脳の広い領域が失われる可能性があるアルツハイマー病などの疾患に多大な影響を与えることになる。また、脳の自然な老化による多くの副作用を予防し、老年期まで最高の状態でより長く健康に暮らすためにも役割を果たす可能性があります。
神経変性と呼ばれる、脳細胞の死に関与する重要なプロセスを特定しました。細胞のグルタミン酸取り込みがプロセスを明らかにすることが含まれていました。
実際、これは単に細胞が生き続けるように指示する正しい化学信号を受け取っていないという理由で、細胞自身を死滅させることにつながります。研究者らはその後、細胞の「死複合体」に介入してそれが起こる前に不活性化できる特別な種類の阻害剤を開発した。
これらの阻害剤は非常に効果的で、神経変性疾患の新たな種類の治療選択肢につながることが期待されている。
オーフス大学の研究者らは、高度な PET および MRI 画像技術を使用して、パーキンソン病が実際には2 つの異なる病気の。
ある変形では、病気は腸で始まり、神経接続を介して脳に広がります。もう 1 つは、脳から始まり、腸や他の器官に移行するものです。このビデオでは概要がわかりやすく説明されています。
これは治癒的ではありませんが、予防策のために初期段階の発症を特定できるようにするための正しい方向への大きな一歩です。たとえば、病気が脳に侵入することさえ完全に阻止する治療法につながる可能性があり、その場合、その影響は時間の経過とともに衰弱していきます。腸脳軸として知られる、腸と心の間の強力な共生というパズルのもう 1 つの重要なピースでもあります。
ケンブリッジ大学とインペリアル・カレッジ・ロンドンの科学者たちは、地形的なCTスキャンデータからさまざまな種類の脳損傷を検出、区別、識別できる新しいタイプのAIアルゴリズム
CT スキャンは膨大な量のデータを収集し、専門家が分析するには何時間もかかる場合があります。これには、回復の軌跡や病気の進行を追跡するために、長期にわたる複数のスキャンの集合的な評価を含める必要があります。この新しい AI ツールは、人間の専門家よりもそのような変化を検出する能力が高く、はるかに迅速かつ安価であるようです。
たとえば、彼らの研究では、このソフトウェアが複数の種類の脳病変の進行を自動的に定量化するのに非常に効果的であり、どの病変が大きくなるかを予測するのに役立つことが示されました。人間の分析を支援するこのタイプの AI の革新的なアプリケーションは、費用対効果の高い方法で医療診断を変革する多くのアプリケーションの最初のものとなる可能性があります。
超高齢者とは、高齢になっても認知能力が他の世代をはるかに上回っており、70 代、80 代になっても若々しい精神能力を維持している個人のことです。これまで、そのピーク形状を維持する秘密はほとんど理解されていませんでした。
ケルン大学病院とユーリッヒ研究センターは、彼らの生物学における重要な違いを。 PETスキャンを使用して、超高齢者はタウおよびアミロイドタンパク質。近年まで、これらのタンパク質の研究は困難であることが判明しています。
超高齢者はタウやアミロイドの病理レベルも低く、その結果、ほとんどの人が晩年にさまざまな種類の神経変性を引き起こすことになります。現在、タウとアミロイド蓄積に対する抵抗力の低下が、ピークの認知形状の喪失の主な生物学的要因であることが確認されています。
新しい研究はこれらのプロセスに焦点を当てて、一般的に精神機能の低下を治癒する可能性のある方法を見つけたり、すでに発生している認知症の形態から保護する治療法の開発に役立つ可能性があります。
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。
私たちが話している間、マックス・プランク進化人類学研究所は、複数のバージョンのネアンデルタール人の DNA を遺伝的に移植した文字通り「小型脳」を構築している。 CRISPRとして知られるボトムアップの未来的なバイオテクノロジーを使用するこれらのレンズ豆サイズのミニ脳幹細胞から成長した生きたニューロンのクラスターが含まれており、実際の脳活動を実行します。
それらはコミュニケーションなどの複雑な行動を伴うには小さすぎるが、ネアンデルタール人が持っていた可能性のある基本的な脳活動の違いを明らかにすることが期待されている。このようにして、遺伝学は神経科学に一種の歴史望遠鏡を提供し、古代の脳の働きを覗き見ることを可能にしています。これらはすべて、数万年にわたって骨の断片に保存されていたDNAからのものです。
そして、これがシャーレの中の数個の細胞のような単純なことだと思うなら…もう一度考えてください。ドイツの研究者らは、行動出力を観察するために、ネアンデルタール人の小型脳をロボットに接続することを計画している。未来派の SF 映画のプロットよりもさらに野心的で、もし成功すれば、今後数年間に何が可能になるか、ネアンデルタール人のロボットハウスメイドが登場するのではないかと単純に頭がくらくらしてしまいます。
神経科学者が直面する最大の課題の 1 つは、生きた脳を研究することが非常に難しいことです。死亡したばかりの脳であっても、ニューロンは死後数時間で急速に分解し、文字通り崩壊します。この課題に取り組むために、イェール大学の神経科学者たちはBrainEx。このハイテクサポートシステムは、死後も髪の毛や爪が成長し続けるように、脳細胞を生かし続けるように設計されました。
この技術をテストするために、研究者らは BrainEx を使用して、死後 4 時間経過したブタの脳のシナプス活動と循環を回復させました。脳はブタから摘出され、保護剤、安定剤、造影剤の独自の混合物を使用した人工血液供給によって蘇生された。これは、細胞および分子の機能の破壊が始まる直前に起こりました。下の画像は、死後 10 時間で正常に崩壊しているブタの脳 (左) と、復活したブタの脳上の健康そうに見える細胞 (右) の違いを示しています。
ここからはゾンビパートです。ニューロンは生き続けていましたが、脳回路には高次の機能活動はなく、生きていると同時に死んでいる状態でした。フランケンシュタインのようなフィクションからノンフィクションへのこの反転は、神経科学が倫理上の大きな問題を哲学的なものから実践的なものへとどのように変えることができるかを示しています。
ただし、このバイオテクノロジーはゾンビ豚に限定されず、原理的には人間を含むあらゆる種類の哺乳類の脳で機能します。この画期的な進歩は、私たち自身の心がどのように機能するかについての実践的な知識を向上させる大きな可能性を秘めています。同時に、それは死者を生き返らせるのに不気味なほど近づいているように見えます。
さらに刺激的な話として、2019 年には脳の活動を合成音声に変換できるコンピューター システムも開発されました。これは、電気生理学的活動によって分析された神経インパルスを介して、音声に関与する筋肉の動きを解読することによって機能します。カリフォルニア大学サンフランシスコ校での実験の結果、プロトタイプのバージョンでは、ゆっくり話せば筋肉の神経信号を通じて言語をうまく解釈できることがわかりました。
研究者らは、このバイオテクノロジーを自然な会話速度(1 分あたり約 150 ワード) まで改善できると期待しています。それでも、脳信号のみが測定されていることを考えると、すでにかなり注目に値します。これは、話者の体性感覚皮質からの脳活動のパターンが声道の動きとして解読され、言語としてどのように解釈されるかを示すビデオです。
これまで多くの科学者がこの問題を解決しようとして失敗してきました。これらの研究者は、声道のシミュレーションを構築するための人工知能モデルを作成するという新しいアプローチを採用しました。実際、AI は音声実験データのライブラリから自らを学習し、音声の動きから言語を解読できるようにニューラル ネットワークを訓練しました。これらの開発は、研究目的でコンピュータプログラムで人間の生物学をシミュレートする上で重要なステップとなる可能性がある。
医学的な観点から見ると、脳卒中や麻痺などの喉や神経疾患を患っている患者の多くは、言語能力を完全に失う可能性があります。このニューロテクノロジーとスマートフォンを組み合わせることで、声のない人々が、ただ話すことを考えるだけで、日常的にリアルタイムで普通に話すことができるようになります。
しかし、シミュレートされた音声は脳の活動の小さな領域を読み取るだけでよく、その音声は事実上あらゆるコンピュータに送信できるため、潜在的には誰でもスマートフォンとヘッドフォンを使えば誰にでも黙って密かに通信できる可能性があります。このシステムは双方向である可能性があるため、人間のテレパシーに対する文字通りのニューロテクノロジー ソリューションを表します。可能性は無限大です。
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。
NeuroTracker の多様な研究アプローチにより、脳が人間のパフォーマンスと健康にどのような影響を与えるかについて興味深い洞察が得られました。
灰白質がどのように機能するかを解読するために設計されたテストの概要を理解します。
世界で最も科学的に検証された認知トレーニング システム。各分野の第一人者による 20 年にわたる神経科学研究に基づいて構築されています。頭脳とパフォーマンスを向上させます。
