この遠隔操作脳実験は成功したが、ネットユーザーを怖がらせた

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制御装置を埋め込まずに、生物学的脳を遠隔的に「操作」することはできるのでしょうか?

最近ネイチャー誌に掲載されたある研究は、発表されるやいなや話題になった。

この実験の対象は人間ではなくネズミだったが、それを見た多くのネットユーザーの第一反応は「危険すぎる」「ちょっと反人間的」というものだった。

それで、これは本当に特に恐ろしい技術なのでしょうか?

実際、この研究では主に特定の技術的手段を使用して、マウスの頭を特殊な光で照らして「移動モード」をオンにし、マウスが動き回らずにはいられないようにします。

まさに本格的な運動ともいえる（手動犬頭）。

さらに、この技術は本当に画期的です。

スタンフォード大学によれば、科学者が脳に侵入することなく正常な生物の神経回路を遠隔制御することに成功したのはこれが初めてだという。

このプロセス全体を通じて、いかなるデバイスも埋め込まれず、マウスの頭皮や頭蓋骨に損傷は発生しませんでした。

同時に、これは技術的な探求であるだけでなく、神経疾患の治療においても一定の応用価値を持っています。

以下で詳しく見てみましょう。

近赤外線を使って脳細胞を遠隔制御する

実際、光を使って脳細胞を制御するという研究は、すでに比較的成熟した分野です。

最も代表的な技術の一つがオプトジェネティクスであり、これはかつてサイエンス誌によって過去10年間の「生物学における10大ブレークスルー」の一つに挙げられ、ノーベル賞レベルの研究成果になるとさえ予想されていた（「ノーベル賞の風見鶏」ラスカー賞を受賞した）。

この技術もスタンフォード大学が提案したものです。具体的には、外因性（体内で自然に生成されるものではない）の光感受性タンパク質遺伝子を脳細胞に導入し、脳細胞が細胞膜構造上に光感受性タンパク質を発現できるようにする技術です。

そして、これらの細胞に特定の波長の光を照射することで、光感受性タンパク質の活性化と停止を制御し、脳内のニューロンを活性化または抑制し、「脳細胞を制御する」という目的を達成することができます。

しかし、この技術には常に欠陥がありました——

光学インプラントを設置し、光ファイバータイを頭蓋骨に挿入する必要があります。

これは、オプトジェネティクスが可視光に大きく依存しており、脳は不透明で可視光が透過できないためです。

しかし、埋め込まれたデバイスは組織に損傷を与えるだけでなく、生物の自由な動きを制限するため、生物の自然な行動中の脳神経活動を研究することが困難になります。

最新の研究で、科学者たちはついにマウスの頭部から埋め込まれた装置を取り除くことに成功した。

彼らは、散乱の激しい脳組織でも高い浸透性を維持できる近赤外線の一種、すなわち1000～1700nmの近赤外線第2帯域を発見しました。

光学装置を埋め込まずに光信号で脳細胞を制御するにはどうすればよいでしょうか?

ここで、体内のTRPV1と呼ばれるタンパク質について考えてみましょう。昨年のノーベル生理学・医学賞は、この発見者に授与されました。

具体的には、カプサイシン（灼熱感や痛みを引き起こす物質）受容体であり、熱と痛みに反応するイオンチャネルタンパク質であるため、熱と痛みに非常に敏感です。

これをガラガラヘビに埋め込むと、暗闇でも温血動物の獲物を狩ることができるようになる。また、これをマウスの網膜の錐体細胞に埋め込むと、マウスは赤外線スペクトルで物を見ることができるようになる。

しかし、科学者たちがこの熱感受性分子をマウスのニューロンに移植したところ、光熱信号がまだ小さすぎるため、近赤外線の熱信号には影響がないことがわかった。

ここでの移植とは、TRPV1 を封入したアデノウイルスによる標的ニューロンへのトランスフェクション、つまり DNA、RNA、またはタンパク質の細胞への導入を指します。

そこで彼らは、赤外線を吸収して増幅するために特別に使用されるMINDSと呼ばれる「センサー」分子を設計しました。

このようにして、システム全体の原理設計が完了します。

神経疾患の治療への希望

次のステップは、この理論が実現可能かどうかを検証するためにさらなる実験を行うことです。

科学者たちはまず、マウスの脳の運動皮質の片側のニューロンにTRPV1チャネルを追加し、次にMINDS分子を注入して、最後にマウスの行動を観察しました。

△ハゲネズミは光が通りやすくなる

研究者たちは、柵の上1メートルの赤外線ライトを点灯すると、最初は狭い範囲しか動いていなかったネズミがすぐに旋回し始め、活動範囲が大幅に広がったことに驚いた。

黒い線は照射前のマウスの活動軌跡、赤い線は照射中、灰色の線は照射後を表しています。

対照群のマウスではそのような反応は見られませんでした。

つまり、近赤外線はマウスの脳内の運動細胞を刺激するのに効果的だったのです。

研究者らはまた、マウスのドーパミン発現ニューロンに2つの分子を連続的に注入し、2日後にマウスが滞在するY字型迷路に赤外線集光装置を設置した。

結果は、マウスがドーパミンニューロンを刺激する赤外線に「依存」し、最も長い時間その光の下に留まっていたことを示した。

△ マウスの滞在時間を表す色は異なり、赤が最も長い

まあ、またうまくいきました。

運動ニューロンは脳の上部に位置し、ドーパミンニューロンは脳の下部に位置しており、この近赤外光で制御する非侵襲的な方法が脳のどの領域のニューロンにも有効であることも示しています。

論文の責任著者であるHong Guosong氏によると、この研究の目的は、この非侵襲的な方法を通じて神経科学における最大の未充足ニーズの1つを達成することである。

マウスが社会活動などの自由に動く活動を行っている間、マウスの脳の奥深くにある特定の脳細胞と回路の機能が観察され、記録されました。

さらに、このアプローチは人間の認知システムをより深く理解するのにも役立ちます。

この技術が最終的に成熟すれば、患者の脳内の特定の神経回路を調整し、てんかんなどの一部の神経疾患を治療するために臨床的に使用できるようになります。

この研究を注意深く読んだネットユーザーの中には、これらの研究は神経機能を探る上で非常に重要な研究ツールや方法であるだけでなく、脳の研究にとって極めて重要な基礎も提供していると主張する人もいる。

一部のネットユーザーは、アルツハイマー病など、より多くの病気の治療にもこの技術が使えるようになることを期待している。

中国チームの研究

この研究は、スタンフォード大学のHong Guosong氏のチームとシンガポールの南洋理工大学のPu Kanyi氏のチームによって実施されました。

第一著者は2名で、1人はスタンフォード大学の博士課程の学生であるWu Xiang氏、もう1人は南洋理工大学のJiang Yuyan氏です。

責任著者は、スタンフォード大学材料科学工学部および Wu Tsai 神経科学研究所（Ming-Hua Wu 氏と Chong-Xin Tsai 氏の寄付により改名）の助教授である Guosong Hong 氏です。

北京大学で学士号を取得し、その後スタンフォード大学で化学の博士号を取得。その後ハーバード大学で博士研究員として研究し、2018年にスタンフォード大学に着任。現在の研究分野は材料科学と神経科学。

△洪国松

共同責任著者は、シンガポールの南洋理工大学の准教授である Pu Kanyi 氏です。同氏は、華東科技大学を卒業し、復旦大学で修士号を取得し、シンガポール国立大学で博士号を取得しました。また、スタンフォード大学で博士研究員として研究を行ったこともあります。

彼の研究対象はナノテクノロジーを含む高分子材料と生体材料であり、責任著者 2 名の論文は 20,000 回以上引用されています。

△プ・カンイー

それで、この研究がどのような方向に応用されることを期待していますか?

論文の宛先:

https://www.nature.com/articles/s41551-022-00862-w