ワイヤレスデバイスは光で脳に「話しかけ」る

December, 25, 2025, Evanston--神経生物学とバイオエレクトロニクスの新たな飛躍として、ノースウェスタン大学(Northwestern University)の科学者たちは、光を使って脳に直接情報を送るワイヤレスデバイスを開発した。これは人体の自然な感覚経路を迂回するものである。

この柔らかく柔軟な装置は頭皮の下、頭蓋骨の上にあり、骨を通して正確な光のパタンを送り込み、皮質全体のニューロンを活性化させる。

実験では、科学者たちはこの装置の微細でパターン化された光のバーストを用いて、マウスモデルの脳の奥深くにある特定のニューロン集団を活性化した。(これらのニューロンは光に反応するように遺伝子操作されている)マウスはこれらのパターンを意味のある信号としてすぐに理解し、それを認識して利用できるようになった。触覚や視覚、聴覚がなくても、動物たちは意思決定のための情報を受け取り、行動課題を成功裏に完了させた。

この技術は、義肢の感覚フィードバックの提供、将来の視覚や聴覚の人工刺激の提供、オピオイドや全身薬を使わずに痛みの知覚を調節すること、脳卒中や怪我後のリハビリテーションの強化、脳を使ったロボット手足の制御など、様々な治療応用に大きな可能性を秘めている。

この研究はNature Neuroscience誌に掲載された。

「われわれの脳は常に電気活動を経験に変換しており、この技術はそのプロセスを直接アクセスする方法を与えてくれる」と、実験研究を主導したノースウェスタン大学の神経生物学者Yevgenia Kozorovitskiyは話してる。「このプラットフォームは、まったく新しい信号を作り出し、脳がどのようにそれらを使いこなすかを観察できる。それは、怪我や病気の後に失われた感覚を回復させることに少し近づけ、世界を知覚するための基本的な原理への窓を提供してくれる。

「この装置の開発は、低侵襲かつ完全に埋め込み可能な形式で脳にパターン刺激を届ける方法を再考する必要があった」と、技術開発を主導したノースウェスタン大学のバイオエレクトロニクスの先駆者John A. Rogersはコメントしている。「柔らかく整合可能なmicroLEDsアレイ(それぞれの直径は人間の髪の毛一本ほどの小ささ)とワイヤレス制御モジュールを統合することで、動物の自然な行動に測定可能な影響を与えない状態で、皮膚の中に完全に入りながらリアルタイムでプログラムできるシステムを作り上げた。これは、煩わしい配線やかさばる外部ハードウェアを必要とせずに脳とインタフェースできるデバイスの構築において大きな前進を示している。これは、基礎神経科学の研究として短期的にも、長期的にも人間の健康課題に取り組む上で価値がある。」

Kozorovitskiyはノースウェスタン大学ワインバーグ芸術科学部のアーヴィング・M・クロッツ神経生物学教授。また、生命過程化学研究所のメンバーでもある。

脳活動の自然なパターンの再現
この新しい研究は、KozorovitskiyとRogersが光でニューロンを制御できる、初の完全埋め込み型、プログラム可能、ワイヤレス、バッテリー不要の装置を発表した先行研究を基盤としている。2021年にNature Neuroscienceに掲載された前回の研究では、単一のmicroLEDプローブを用いてマウスの社会的行動に影響を与えた。従来のオプトジェネティクス(光でニューロンを制御する方法)の研究では、マウスを拘束するファイバオプティクワイヤが必要だったが、ワイヤレス版では動物が社会的な場面で普通に見たり振る舞ったりすることができた。

今回の新作は、脳とのより豊かで柔軟なコミュニケーションを可能にすることで、この研究をさらに一歩進めている。単なるニューロン領域の起動・無効化にとどまらず、この新デバイスは最大64個のmicroLEDsからなるプログラム可能なアレイを備えている。各LEDをリアルタイムで制御することで、研究者は自然な感覚中に起こる分散した活動に似た複雑なシーケンスを脳に送ることができる。実際の感覚体験は分散した皮質ネットワークを活性化するため、微小で局所的なニューロンのグループを活性化するのではなく、多領域設計はより自然な脳活動パターンを模倣している。

「最初の論文では、単一のmicroLEDを使った。今は64個のmicroLEDsアレイを使って皮質活動のパターンを制御している。LEDsの様々な組み合わせ—周波数、強度、時間的順序—で生成できるパターンの数はほぼ無限である」とWuは話している＞

切手ほどの大きさでクレジットカードよりも薄いこの新しいデバイスは、侵襲性も低い。新しい柔らかく柔軟な装置は、小さな頭蓋骨の欠損を通って脳内に伸びるのではなく、頭蓋骨の表面にぴったりとフィットし、光を骨を通して照射する。

「赤い光は組織を非常によく貫通する。頭蓋骨を通してニューロンを活性化できるほど深く届く」(Kozorovitskiy)。

成功した刺激
このシステムを検証するために、チームは光に反応する皮質ニューロンを持つ遺伝子組み換えマウスを使用した。次に、マウスに特定の脳刺激パターンを報酬と関連付けるよう訓練した。通常、このタスクはチャンバ内の特定のポートを訪れることを含む。

一連のトライアルで、インプラントは4つの皮質領域に特定のパターンを伝達した。まるでコードを神経回路に直接タップするかのようだった。マウスは数十の代替案の中からこの標的パターンをすぐに認識することを学んだ。ターゲットパタンに運ばれた人工信号を使い、報酬を受け取るための正しいポートを選んだ。

「正しいポートを一貫して選ぶことで、動物はメッセージを受け取ったことを示した。マウスは、言語で感じることを伝えられないので、行動を通じてコミュニケーションを取る」(Wu)。

チームは脳がパターン化された刺激を意味のある信号として解釈できることを示したので、より複雑なパターンをテストし、脳がどれだけ多くの異なるパターンを学習できるかを探る予定である。今後の改良には、より多くのLEDs、LED間の間隔の狭さ、より広い皮質を覆うより大きなアレイ、さらに脳のより深くまで届く波長の光が含まれるかもしれない。