ソフト脳幹インプラントにより、高解像度聴覚

May, 8, 2025, Lausanne--EPFLの研究者は、脳幹の曲面に密接に適合する柔軟な聴覚脳幹インプラント(ABI)を開発した。この技術は、マカクザルの高解像度の「補綴聴覚」の実証に成功した。

過去数十年の間に、多くの人々が、これまでで最も成功したニューロテックデバイスである人工内耳によって聴覚機能を取り戻した。しかし、人工内耳を装着するには蝸牛神経が損傷しすぎている人にとっては、聴覚脳幹インプラント(ABI)が有望な代替手段となる。残念ながら、現在のABIは硬質インプラントであり、組織との良好な接触できない。その結果、医師はめまいや顔のけいれんなどの望ましくない副作用のために電極の大部分をオフにするのが一般的で、ほとんどのABIユーザは漠然とした音しか認識せず、音声の明瞭度はほとんどない。

今回、EPFLのソフトバイオエレクトロニクスインタフェース研究所のチームは、ソフトな薄膜ABIを開発した。このデバイスは、シリコンに埋め込まれたマイクロメートルスケールの白金電極を使用し、わずか数㎜厚の柔軟なアレイを形成する。Nature Biomedical Engineeringに掲載されたこの新しいアプローチは、組織との接触を改善し、オフターゲット神経の活性化を防ぎ、副作用を軽減する可能性がある。

「脳幹環境に真に適合したソフトインプラントを設計することは、人工内耳を使用できない患者の聴力を回復するための重要なマイルストーンである。マカクザルでの成功は、この技術を臨床に応用し、より豊かで正確な聴覚を提供することに真の期待が寄せられていることを示している」と、EPFLのソフトバイオエレクトロニクスインターフェース(LSBI)研究所の責任者であるStéphanie P. Lacourは話している。

複雑な行動課題による「補綴聴覚」の探求
研究チームは、単に外科的なテストに頼るのではなく、正常な聴力を持つマカクザルを対象に広範な行動実験を行った。これにより、動物が自然な音響聴覚と同様に電気刺激パターンをどれだけうまく区別できるかを測定することができた。

「課題の半分は実行可能なインプラントを考え出すことであり、残りの半分は、動物が実際に聞いていることを行動的に見せるように動物に教えることである」と、プロジェクトの共同筆頭著者であり、EPFLの元Ph.D学生Emille Revolは言う。同氏は動物たちに聴覚識別の任務を遂行するよう細心の注意を払って訓練しました:サルは、連続する音色が「同じ」か「異なる」かを示すためにレバーを押したり離したりすることを学んだ。

「次に、ソフトABIからの刺激を段階的に導入し、最初は通常の音色とブレンドして、サルが音響聴覚と人工聴覚の間のギャップを埋めることができた。最終的には、ソフトABIを刺激するだけで、動物が1つの電極ペアから別の電極ペアへの小さなシフトを検出できるかどうかを確認することが目標だった。われわれの結果は、動物が実際の音を治療するのとほぼ同じ方法でこれらのパルスを扱ったことを示唆している」(Revol)。

なぜソフトアレイなのか
「われわれの主なアイデアは、ソフトな生体電子インタフェースを活用して、電極と組織の一致を改善することだった」と、EPFLの元ポスドク研究員で、この研究の共同筆頭著者であるAlix Trouilletは説明している。「アレイが脳幹の湾曲した解剖学的構造に自然に追従すれば、刺激の閾値を下げ、より活性な電極を維持して高解像度の聴覚が得られる」

従来のABIは、半径3mmの複雑な形状を持つ蝸牛核の背側表面にある。硬い電極はエアギャップを離れ、過度の電流拡散と望ましくない神経刺激につながる。対照的に、EPFLチームの超薄型シリコンデザインは、組織の周りで簡単に曲がる。

適合性だけでなく、ソフトアレイの柔軟な微細加工は、様々な解剖学的構造に合わせて再構成できることを意味する。「マイクロリソグラフィの設計の自由度は非常に高い」とTrouilletは言う。「われわれは、より多くの電極数や、周波数固有のチューニングをさらに洗練させる新しいレイアウトを想像することができる。現在のバージョンには11個の電極が搭載されており、将来のバージョンではこの数が大幅に増加する可能性がある。」

快適性の向上と副作用の減少
マカクザルの研究の重要な結果は、目立ったオフターゲット効果がないことだった。研究チームは、テストされた電流の範囲内で、動物は顔の周りの不快感や筋肉の痙攣の兆候を示さなかったと報告している。これは人間のABIユーザからの一般的な苦情である。「サルはレバーを押して、何度も何度もそれ自体を刺激した。もし人工聴覚の投入が不快だったら、おそらく止まっていた」とRevolは説明している。

臨床応用への道
これらの知見は有望だが、市販のソフトABIへの道筋には、さらなる研究と規制措置が必要になる。「当面の可能性の1つは、人間のABI手術で術中にデバイスをテストすることである」とLacourは言い、ボストンのチームの臨床パートナーが重度の蝸牛神経損傷患者に対してABI手術を定期的に実施していると指摘している。「彼らは、標準的なインプラントの前にソフトアレイを短時間挿入して、浮遊神経の活性化を本当に減らすかどうかを測定することができる。」

さらに、人間が使用する予定のインプラントのすべての材料は、完全に医療グレードであり、堅牢で長期的な信頼性を示す必要がある。しかし、研究チームは、この装置がすでに持ちこたえた厳しいテストにより、自信を持っている。「われわれのインプラントは数ヶ月間動物に留まり、測定可能な電極の移動はなかった」とTrouilletはコメントしている。「これは、標準のABIが時間の経過とともに移行することが多いことを考えると、重要な前進である。」