ニューラルダスト

ニューラルダストは、無線で駆動する神経センサーとして動作するナノメートルサイズのデバイスの仮想クラスであり、一種の脳コンピューターインターフェースです。センサーは、神経や筋肉の研究、監視、制御、および神経活動を遠隔監視するために使用できます。実際には、医療処置により、何千ものニューラルダストデバイスが人間の脳に導入される可能性があります。この用語は「スマートダスト」に由来しており、ニューラルダストとして使用されるセンサーもこの概念で定義できます。^[1]

ニューラルダストの設計は、カリフォルニア大学バークレー校無線研究センターのヤン・ラベイ氏による2011年のプレゼンテーション^[2]で初めて提案され、その後彼の研究室の大学院生によって実証されました。^{[3] [4]} BCIの歴史は、 1924年にハンス・バーガー氏が脳波を発明したことから始まりますが、この用語が科学文献に登場するのは1970年代になってからでした。この分野の代表的な研究は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）が国立科学財団の研究助成金を受けて行ったものです。^[5]

ニューラルダストは BCI のカテゴリに属しますが、神経補綴(神経補綴とも呼ばれる)の分野でも使用できます。これらの用語は互換的に使用される場合もありますが、主な違いは、BCI は一般に神経活動をコンピューターに直接接続するのに対し、神経補綴は中枢神経系の活動を、欠損または障害のある身体部分の機能を代替するためのデバイスに接続する傾向があることです。

^{ニューラルダストシステムの主要コンポーネントには、10～100 μm 3}スケールを目標とするセンサーノード (ニューラルダスト)と、硬膜の下に配置され、ニューラルダストへの電力と通信リンクの両方を提供する頭蓋下インタロゲーターが含まれます。

^{ニューラルダストセンサーは、従来のRF [3]}や超音波など、電力供給と通信にさまざまなメカニズムを使用できます。超音波ベースのニューラルダストモートは、一対の記録電極、カスタムトランジスタ、圧電センサーで構成されています。^[4]圧電結晶は、細胞外空間から脳の活動を記録し、それを電気信号に変換することができます。

BCIには多くの形態が存在するが、ニューラルダストはそのサイズと無線機能により独自のクラスに属している。 電磁波（無線周波数など）を使用してニューラルダストやその他の無線ニューラルセンサーと対話することができるが、^{[3] [6] [7] [8]}超音波を使用すると組織内での減衰が低減する。これにより、埋め込み深度が深くなり（したがって頭蓋下通信機との通信が容易になる）、散乱や吸収により体の組織に分配されるエネルギーが減少する。^[4]この余分なエネルギーは熱の形をとり、温度が高くなりすぎると周囲の組織に損傷を与える可能性がある。理論的には、超音波を使用するとセンサーノードをより小さくして100μm未満のサイズにすることができるが、実用的およびスケーラビリティの面で多くの課題が残っている。

ニューラルダストセンサーは極めて小さいため、センサー自体に機能的な送信機を作るのは非現実的であり、ほぼ不可能です。そのため、無線周波数識別(RFID) 技術から採用された後方散乱通信が採用されています。RFIDパッシブでは、バッテリーレスタグは、RFエネルギーを送信するデバイスであるRFインテロゲータの近くにあるときに、無線周波数(RF) エネルギーを吸収および反射できます。RFエネルギーをインテロゲータに反射すると、周波数を変調することができ、その際に情報をエンコードできます。ニューラルダストでは、硬膜下通信機がパルス (RFまたは超音波) を送信し、それがニューラルダストセンサーによって反射されるという方法を採用しています。

ニューラルダストは活動電位を感知するために従来の増幅器を使用できるが、^[3]超音波ベースのニューラルダストセンサーの場合、圧電結晶を使用して細胞外空間での位置を測定することもできる。インテロゲータに反射された超音波エネルギーは、記録された活動を伝達する方法で変調される。^{[9]ニューラルダストセンサーの1つの提案モデルでは、トランジスタモデルによって、}局所的なフィールド電位と活動電位「スパイク」を分離する方法が可能になり、記録から取得できるデータの多様性が大幅に向上した。^[2]

神経補綴具の例としては、聴力の回復を助ける人工内耳^[10]、 網膜色素変性症による網膜変性の治療に効果があることが証明されている人工シリコン網膜マイクロチップ^{[11] 、さらには}四肢麻痺や筋萎縮性側索硬化症などの疾患を患っている人の運動能力を高めることができる運動補綴具などがあります。^[12]神経ダストを運動補綴具と組み合わせて使用​​することで、より微細な運動制御が可能になります。

神経や脳組織を電気刺激する方法は以前から使われてきましたが、ニューラルダストのサイズとワイヤレス性により、この技術の臨床応用が進む可能性があります。重要な点として、従来の神経刺激法や脊髄刺激などの特定の神経刺激法では、ワイヤーに接続されたままの埋め込み型電極を使用するため、感染や瘢痕化のリスクが高いことが挙げられます。ニューラルダストの使用ではこれらのリスクは考慮されませんが、センサーノードに十分な電流を流すという課題は依然として存在します。

電気刺激装置は、閉塞性睡眠時無呼吸（OSA）の治療にすでに一定の効果があることが示されています。重度のOSA患者に外科的に埋め込まれた電気刺激装置を使用した研究者は、装置による12か月間の治療で著しい改善が見られました。^[13]横隔膜神経の刺激も中枢性睡眠時無呼吸を軽減するのに効果的であることが示されています。^[14]

電気刺激装置は、脊髄損傷患者の排尿・排便能力を改善するのに効果的であり、無線リンクインプラントを使用して脊柱の仙骨前根部を刺激する^[15]。

てんかん患者に対する電気刺激療法は、1950年代にまで遡る、かなり以前から確立された治療法である。^[16]米国てんかん協会の最大の目標は、発作が起こりそうなことを示す脳パターンに基づいて発作を止める電気刺激を与える自動脳電気刺激（コンティンジェント刺激またはクローズドループ刺激とも呼ばれる）の継続的な開発である。これは、発作が起こる可能性のある時期の推定に基づく刺激よりも、この疾患のはるかに優れた治療を提供する。^[17]迷走神経刺激はてんかん発作の治療の標的領域となることが多いが、海馬、視床、視床下核の刺激の有効性に関する研究も行われている。クローズドループ皮質神経調節は、パーキンソン病の治療技術としても研究されている^[18]