1グラムの顕微鏡で科学者が8500個のニューロンを同時に観察可能に

脳が何十億ものニューロンの発火をどのようにして一つの決定、記憶、あるいは突然の動きに変えるのかを理解することは、科学の最も難しい問題の一つだ。困難の大きな部分は、単にその現象を目にすることにある。ほとんどのイメージングツールは大きく、ケーブルにつながれており、一度に脳組織の小さな部分しか観察できない。中国の研究者チームは、この種の装置として世界最軽量のワイヤレス顕微鏡を開発したと発表した。重さわずか1グラムで、自由に動き回る動物の数千個のニューロンの活動を記録できる。

この装置はメゾスコープであり、単一細胞ではなく比較的広い組織領域をイメージングするために設計された顕微鏡の一種である。CCTVによると、チームの装置は幅6ミリメートルの視野で動作し、個々の細胞を識別できる。マウスでの試験では、大脳皮質の8500個以上のニューロンの活動を同時に捉えた。これは、既存の同等機器が同時に記録できる数の約25倍に相当する。結果は10月19日、世界を代表する科学雑誌の一つであるNatureにオンラインで掲載された。

このブレークスルーは生物学的な偉業であると同時に工学的な偉業でもある。従来の卓上顕微鏡はマウスの頭に乗せられず、固定された装置につながるケーブルは動物を拘束し、科学者が観察したいまさにその行動を歪めてしまう。光学系、センサー、電源、無線伝送を、動物が明らかな負担なく運べるものに詰め込むには、小型化とデータ処理における新たなアプローチが必要だった。1グラムという重さは、研究者らが自然な動きに実質的な影響を与えないと考えるのに十分な軽さである。

これが重要なのは、行動こそが脳活動に意味を与えるからだ。動物が探索し、社交し、課題を学習し、脅威に反応する際のニューロンの発火を観察することは、神経回路が複雑な行動をどのように制御しているかを理解する上で中心的な役割を果たす。これまで実験室は、頭部固定動物での高解像度記録と、自然に動ける動物でのより広範な観察のどちらかを選ばざるを得ないことが多かった。数千個の細胞を同時に捉えるワイヤレス装置は、このトレードオフを大幅に縮小することを約束する。

Natureへの掲載はこの研究に国際的な認知を与え、結果が厳格な査読を経たことを示す。また、中国の研究グループを、歴史的に米国と欧州の実験室が支配してきた神経技術ハードウェア分野のリーダーの一角に確固として位置づける。チームは商業展開の詳細を明らかにしていないが、このような装置は神経科学コミュニティに急速に広がる傾向がある。脳へのより良い窓は、それを研究するほぼすべての実験室にとって有用だからだ。

一般市民にとって、実際的な恩恵は間接的ではあるが現実的なものになる可能性が高い。大規模なニューロン集団がどのように協調するかをマッピングすることは、学習、記憶、睡眠、神経疾患の研究の基礎となる。より良いツールは自動的に治療法を生み出すわけではないが、どのような問いに答えられるようになるかを変える。日常の行動を通じて数千個のニューロンを追跡できる顕微鏡は、以前は仮説に過ぎなかった実験のいくつかを日常的なものに変える。

留意すべき限界もある。研究はマウスで行われており、知見を種間で移行することは決して自動的ではない。また、装置は深部脳構造ではなく、表面領域である皮質から記録する。それでも、1グラム、6ミリメートルの視野、8500個以上のニューロンを同時にという主要な数字は、ウェアラブル脳センサーが何であり得るかについての期待をリセットする種類のマイルストーンである。

長い間、計測機器によって制約を受けてきた分野にとって、これは重要だ。次のステップは、他の実験室がこの装置をどれだけ広く採用するか、そして数千個のニューロンを同時に観察することが日常になればどのような発見が続くかを見ることである。