パーキンソン病などの治療に使われる現在の電極に代わる、新しいデバイスが開発されたとしたら…？
マサチューセッツ工科大学（MIT）のエンジニアは、パーキンソン病やその他の疾患の治療に現在使用されている電極に代わる、埋め込み型デバイス「ImPULS（インパルス）」を開発しました。この新しいデバイスは、超音波を用いて脳の深部を刺激することができ、髪の毛の太さほどの繊維で構成されています。
深部脳刺激療法は、脳に埋め込まれた電極が電気パルスを送ることでパーキンソン病などの神経疾患を治療する方法ですが、電極は時間と共に腐食し、瘢痕組織が蓄積するため、取り除く必要が出てきます。MITの研究者たちは、この問題を解決するために、電気ではなく超音波を使用して深部脳刺激を行う新しいアプローチを開発しました。この刺激により、パーキンソン病患者の脳の特定部位でドーパミンを放出することができることを、マウスを用いた研究で示しました。
「超音波を使用することで、脳の深部にあるニューロンを発火させる新しい方法を作り出すことができます」と、MITメディアラボの准教授であり、この新しい研究の上級著者であるジャナン・ダグデビレン博士（Canan Dagdeviren, PhD）は述べています。「このデバイスは髪の毛の繊維よりも細いため、組織へのダメージはごくわずかであり、脳の深部でも容易に操作できます。」
このアプローチは、安全性の高い深部脳刺激法を提供するだけでなく、脳の働きを詳しく知りたい研究者たちにとっても貴重なツールとなる可能性があります。
この研究論文の第一著者は、MITの大学院生ジェイソン・ホウ（Jason Hou）とポスドク研究員のモハメド・オスマン・ゴニ・ナイーム（Md Osman Goni Nayeem）であり、MITのマクガヴァン脳研究所、ボストン大学、カリフォルニア工科大学（Caltech）との共同研究者です。2024年6月4日に『ネイチャー・コミュニケーションズ』誌に掲載されたこのオープンアクセス論文のタイトルは「An Implantable Piezoelectric Ultrasound Stimulator (ImPULS) for Deep Brain Activation」（「深部脳活性化のための埋め込み型圧電超音波刺激装置（ImPULS）」）です。
深部脳における挑戦
ダグデビレン博士の研究室では、これまで皮膚を通じて薬物を送達したり、様々な臓器の診断イメージングを行ったりするためのウェアラブル超音波デバイスを開発してきました。しかし、超音波は頭や頭蓋骨に装着されたデバイスからでは脳の深部には届きません。
「脳の深部にアクセスしたい場合、もはやウェアラブルやアタッチャブルでは不十分です。埋め込み型にする必要があります」とダグデビレン博士は言います。「私たちはデバイスを慎重にカスタマイズして、脳の深部の主要な血管を避けつつ、最小限の侵襲で済むようにしました。」
電気インパルスを用いた深部脳刺激は、パーキンソン病の症状を治療するためにFDAによって承認されています。このアプローチでは、ミリメートル単位の厚さの電極を使用して、黒質という脳領域のドーパミン生成細胞を活性化します。しかし、脳内に埋め込まれたデバイスは時間とともに腐食し、インプラントの周囲に形成される瘢痕組織が電気インパルスを妨げる可能性があります。
MITのチームは、電気刺激を超音波に置き換えることでこれらの欠点を克服できるかどうかを検討しました。ほとんどのニューロンは音波の振動などの機械的刺激に反応するイオンチャネルを持っているため、超音波を使用してこれらの細胞に活動を促すことができます。しかし、既存の技術では頭蓋骨を通して脳に超音波を送ることはできず、頭蓋骨自体が超音波波を干渉させ、標的外の刺激を引き起こす可能性があります。
「ニューロンを正確に調節するためには、より深部に到達する必要があり、新しい種類の超音波ベースのインプラントを設計することになりました」とナイーム氏は言います。深部脳領域に安全に到達するために、研究者たちは柔軟なポリマーで作られた髪の毛ほどの細さの繊維を設計しました。この繊維の先端には、振動する膜を持つドラム状の超音波トランスデューサーが含まれています。この膜は、薄い圧電フィルムを封入しており、小さな電圧で駆動されると、近くの細胞によって検出される超音波を生成します。
「このデバイスは組織に安全で、露出した電極面がなく、非常に低消費電力であるため、患者への応用が期待されます」とホウ氏は述べています。
研究者たちは、マウスでのテストで、この超音波デバイス「ImPULS」が海馬のニューロンの活動を誘発できることを示しました。次に、ドーパミンを生成する黒質に繊維を埋め込み、背側線条体のニューロンを刺激してドーパミンを生成できることを示しました。
「脳刺激は最も効果的でありながら、最も理解されていない方法の一つです。ImPULSは、空間的・時間的に精密な解像度で脳細胞を刺激でき、他の方法と比べて損傷や炎症を引き起こしません。海馬などの領域での効果を確認することで、脳の特定の回路に精密な刺激を与える全く新しい方法が開かれました」とボストン大学の心理学および脳科学の助教授であり、同大学システム神経科学センターのメンバーであるスティーブ・ラミレス氏は述べています。
カスタマイズ可能なデバイス
デバイスのすべてのコンポーネントは生体適合性があり、圧電層はカリウムナトリウムニオベート（KNN）という新しいセラミックでできています。現在のバージョンのインプラントは外部電源で動作しますが、将来的には小型の埋め込み型バッテリーと電子ユニットで動作するバージョンを想定しています。
研究者たちは、繊維の長さと厚さ、圧電トランスデューサーが生成する音波の周波数を簡単に変更できる微細加工プロセスを開発しました。これにより、異なる脳領域に合わせてデバイスをカスタマイズすることが可能です。
「デバイスが脳のすべての領域に同じ効果をもたらすとは言えませんが、技術がマウスだけでなく、人間にも応用できると自信を持って言えます」とダグデビレン博士は言います。
研究者たちは今後、超音波刺激が脳の異なる領域にどのように影響するか、デバイスが年単位で埋め込まれた状態で機能し続けるかを調査する予定です。また、マイクロ流体チャネルを組み込む可能性にも関心を持っており、これによりデバイスが超音波だけでなく薬物も送達できるようになります。
パーキンソン病やその他の疾患の治療法として期待されるだけでなく、この種の超音波デバイスは脳についてさらに学ぶための貴重なツールにもなり得ると研究者たちは述べています。
「私たちの目標は、神経科学コミュニティにこのデバイスを研究ツールとして提供することです。脳を理解するための有効なツールがまだ十分ではないと感じているからです」とダグデビレン博士は言います。「デバイスエンジニアとして、異なる脳領域について学ぶための新しいツールを提供しようとしています。」
この研究はMITメディアラボコンソーシアムと脳行動研究財団（BBRF）のNARSAD若手研究者賞によって資金提供されました。
この投稿はMITのアン・トラフトン（Anne Trafton）によって書かれたリリースを基にしています。
このMITの研究は、従来の電極を用いた深部脳刺激に代わる、安全で効果的な新しい方法を提供しています。髪の毛ほどの細さの繊維を用いた超音波刺激デバイス「ImPULS」は、パーキンソン病などの治療に革命をもたらす可能性があります。また、神経科学の研究ツールとしても大きな期待が寄せられています。今後の研究が進むことで、より広範な脳領域への応用や、長期的な埋め込みデバイスの実用化が期待されます。
写真：ジャナン・ダグデビレン博士（Canan Dagdeviren, PhD）
