神経工学

神経工学（ニューロエンジニアリングとも呼ばれる）は、工学技術を用いて神経系を理解、修復、置換、強化するバイオメディカルエンジニアリングの一分野です。神経エンジニアは、生体神経組織と非生体構造のインターフェースにおける設計上の問題を解決する独自の資格を持っています。^[1]

神経工学の分野は、計算神経科学、実験神経科学、神経学、電気工学、生体神経組織の信号処理の分野を活用し、ロボット工学、サイバネティクス、コンピュータ工学、神経組織工学、材料科学、ナノテクノロジーの要素を包含しています。

この分野の主な目標には、神経系と人工装置との直接的な相互作用による人間の機能の回復と増強が含まれます。

現在の研究の多くは、感覚系と運動系における情報の符号化と処理を理解すること、病的な状態でこの処理がどのように変化するかを定量化すること、そして脳コンピューターインターフェースや神経補綴物などの人工装置との相互作用を通じてどのように操作できるかということに焦点を当てています。

その他の研究では、外部技術と接続された 神経インプラントの使用など、実験による調査に重点を置いています。

神経流体力学は、神経系の 流体力学に焦点を当てた神経工学の分野です。

神経工学の起源は、イタリアの物理学者で生物学者のルイージ・ガルヴァーニに遡ります。ガルヴァーニは、エミール・デュ・ボア＝レーモンドなどの先駆者たちとともに、神経と筋肉の電気信号が運動を制御していることを発見しました。これは、脳の電気的性質に関する最初の理解となりました。^[2]神経工学は比較的新しい分野であるため、それに関連する情報と研究は比較的限られていますが、急速に変化しています。神経工学に特化した最初のジャーナルであるThe Journal of Neural EngineeringとThe Journal of NeuroEngineering and Rehabilitationは、どちらも2004年に創刊されました。神経工学に関する国際会議は、2003年以来IEEEによって開催されており、2009年4月29日から5月2日までトルコのアンタルヤで第4回神経工学会議が開催され、^[3] 2011年4月/5月にメキシコのカンクンで開催された第5回国際IEEE EMBS神経工学会議、2013年11月にカリフォルニア州サンディエゴで第6回会議が開催されました。第7回会議は2015年4月にモンペリエで開催されました。第8回会議は2017年5月に上海で開催されました。彼女の講演では、神経情報科学、行動ダイナミクス、脳画像など、さまざまなトピックにわたる200以上の論文が取り上げられました。これは、神経工学に関する将来の研究の基本的な基礎研究となりました。^[4]

神経工学の基礎には、ニューロン、ニューラル ネットワーク、神経系機能と定量化可能なモデルとの関係が含まれており、信号を解釈して制御し、意図的な応答を生成するデバイスの開発に役立ちます。

体が思考、感覚、動作、生存に影響を与えるために使用するメッセージは、脳組織を介して体の他の部分に伝達される神経インパルスによって指示されます。 ニューロンは神経系の基本的な機能単位で、生存と生活の質に必要な高レベルおよび低レベルの機能を操作するこれらの信号を送信できる高度に特殊化された細胞です。ニューロンは、情報を処理して他の細胞に伝達することを可能にする特殊な電気化学的特性を持っています。ニューロンの活動は、神経膜電位と、それに沿って、またはそれを横切って発生する変化に依存しています。膜電位と呼ばれる一定の電圧は、通常、ニューロン膜全体の特定のイオンの特定の濃度によって維持されます。この電圧の破壊または変動は、膜全体の不均衡、つまり分極を引き起こします。 膜が閾値電位を超えて脱分極すると、活動電位が発生します。これが、神経系の神経伝達として知られる信号伝達の主なソースです。活動電位は、軸索膜を横切るイオンの流れのカスケードを引き起こし、他の細胞にさらなる電気的変化を伝達できる効果的な電圧スパイク列または「電気信号」を作成します。信号は、電荷の流れ、したがって神経膜全体の電圧レベルに影響を与える電気的、化学的、磁気的、光学的、およびその他の刺激によって生成できます。^{[5] [必要なページ]}

エンジニアは、複雑な神経系を理解し、それと相互作用するために使用できる定量的なツールを使用します。神経組織における細胞外電場電位とシナプス伝達に関与する化学、電気、磁気、および光学信号を研究および生成する方法は、研究者が神経系活動を調整するのに役立ちます。^[6] 神経系活動の特性を理解するために、エンジニアは信号処理技術と計算モデルを使用します。^[7] これらの信号を処理するには、神経エンジニアは神経膜全体の電圧を対応するコードに変換する必要があります。このプロセスは神経コーディングと呼ばれます。神経コーディング は、脳が中枢パターン発生器 (CPG)、動きのベクトル、小脳内部モデル、および体部位マップの形式で単純なコマンドをエンコードして、動きと感覚現象を理解する方法を研究します。神経科学の分野でこれらの信号をデコードすることは、ニューロンが送信された電圧を理解するプロセスです。変換には、特定の形式の信号が解釈され、別の形式に変換されるメカニズムが含まれます。エンジニアはこれらの変換を数学的にモデル化しようとしています。^[7] これらの電圧信号を記録するには、さまざまな方法が使用されています。これらは細胞内または細胞外の場合があります。細胞外の方法には、単一ユニット記録、細胞外電場電位、および電流測定が含まれます。最近では、マルチ電極アレイが信号の記録と模倣に使用されています。

ニューロメカニクスは、神経生物学、生体力学、感覚と知覚、ロボット工学を組み合わせたものです。^[8]研究者は、高度な技術とモデルを使用して、神経組織の機械的特性と、それが組織の力と動きに耐え、生成する能力、および外傷性負荷に対する脆弱性に及ぼす影響を研究しています。^[9]この研究分野は、神経筋系と骨格系間の情報変換を翻訳して、これらのシステムの操作と組織に関連する機能と管理ルールを開発することに重点を置いています。^[10]ニューロメカニクスは、神経回路の計算モデルを仮想物理世界に配置された動物の体のモデルに接続することでシミュレートできます。^[8]運動の運動学とダイナミクス、運動プロセス中の運動と感覚のフィードバックのプロセスとパターン、運動制御を担う脳の回路とシナプスの構成を含む生体力学の実験的分析はすべて、動物の動きの複雑さを理解するために現在研究されています。ジョージア工科大学のミシェル・ラプラカ博士の研究室は、細胞培養の機械的伸張、平面細胞培養のせん断変形、および 3D 細胞含有マトリックスのせん断変形の研究に携わっています。これらのプロセスを理解した後は、特別に定義されたパラメータを使用して閉ループ条件下でこれらのシステムを特性評価できる機能モデルの開発が行われます。神経力学の研究は、人工装具の設計の最適化、負傷後の動作の回復、移動ロボットの設計と制御など、生理学的健康問題の治療を改善することを目的としています。3D ハイドロゲルの構造を研究することで、研究者は神経細胞の機械的特性の新しいモデルを特定できます。たとえば、ラプラカらは、細胞培養においてひずみが役割を果たす可能性があることを示す新しいモデルを開発しました。^[11]

ニューロモジュレーションは、医薬品、電気信号、またはその他の形態のエネルギー刺激を送達して神経系の活動を増強または抑制し、脳の障害された領域のバランスを回復する医療機器技術を使用して、病気や傷害を治療することを目指しています。この分野の研究者は、神経信号の理解の進歩と、脳内の閉ループ方式で感度、生体適合性、および実行可能性を高めてこれらの信号を提供および分析する技術の進歩を結び付けるという課題に直面しています。これにより、さまざまな種類の神経損傷を患う人々を治療するための新しい治療法と臨床応用が生まれます。^[12]ニューロモジュレーターデバイスは、パーキンソン病、ジストニア、振戦、トゥレット症候群、慢性疼痛、OCD、重度のうつ病、そして最終的にはてんかんに関連する神経系の機能障害を矯正できます。^[12] ニューロモジュレーションは、身体に副作用をもたらす可能性のある全身治療とは対照的に、脳の非常に特定の領域のみを治療することに焦点を当てているため、さまざまな欠陥の治療として魅力的です。微小電極アレイなどの神経調節刺激装置は脳機能を刺激し記録することができ、さらに改良すれば薬物やその他の刺激を調整可能かつ反応性の高い送達装置となることが期待されている。^[13]

神経工学とリハビリテーションは、神経科学と工学を応用して、末梢神経系と中枢神経系の機能を調査し、脳の損傷や機能不全によって生じる問題に対する臨床的解決策を見つけます。神経再生に適用される工学は、末梢神経損傷の再生、脊髄損傷の脊髄組織の再生、網膜組織の再生など、特定の用途のためにニューロンの成長を促進する装置と材料の工学に重点を置いています。遺伝子工学と組織工学は、脊髄が再生するための足場を開発し、神経学的問題を助ける分野です。^{[12] [14]}

神経工学に焦点を当てた研究では、神経系がどのように機能し、機能不全を起こすかを研究するための装置が利用されています。^[14]

神経画像技術は、神経ネットワークの活動、および脳の構造と機能の調査に使用されます。神経画像技術には、機能的磁気共鳴画像法(fMRI)、磁気共鳴画像法(MRI)、陽電子放出断層撮影法(PET)、およびコンピューター断層撮影法(CAT) スキャンが含まれます。機能的神経画像研究は、脳のどの領域が特定のタスクを実行するかに関心があります。fMRI は、神経活動と密接に関連する血行動態活動を測定します。これは、特定のタスクまたは刺激に対する脳の特定の領域の代謝反応をマッピングするために使用されます。PET、CT スキャナー、および脳波(EEG) は現在改良されており、同様の目的で使用されています。^[12]

科学者は、神経系の実験的観察とこれらの系の理論および計算モデルを使用して、神経系を可能な限り現実的にモデル化することを目指してニューラルネットワークを作成できます。ニューラル ネットワークは、さらなる神経工学デバイスの設計に役立つ分析に使用できます。具体的には、研究者は分析または有限要素モデリングを扱って、神経系の動きの制御を決定し、これらの技術を脳損傷または障害のある患者に応用します。人工ニューラル ネットワークは、理論モデルと計算モデルから構築でき、理論的なデバイス方程式または神経系の観察された動作の実験結果からコンピューターに実装できます。モデルは、イオン濃度ダイナミクス、チャネル運動学、シナプス伝達、単一ニューロン計算、酸素代謝、または動的システム理論の適用を表すことができます。^[11]液体ベースのテンプレート アセンブリを使用して、ニューロンをシードしたマイクロキャリア ビーズから 3D ニューラル ネットワークを設計しました。^[15]

神経インターフェースは、神経系の研究や、人工デバイスによる神経機能の強化または置換に使用される主要な要素です。エンジニアは、関連する電子回路から選択的に記録して神経系の活動に関する情報を収集し、神経組織の特定の領域を刺激してその組織の機能または感覚を回復できる電極の開発という課題に直面しています (Cullen et al. 2011)。これらのデバイスに使用される材料は、配置される神経組織の機械的特性と一致する必要があり、損傷を評価する必要があります。神経インターフェースには、生体材料の足場または慢性電極の一時的な再生が含まれ、異物に対する体の反応を管理する必要があります。微小電極アレイは、神経ネットワークの研究に使用できる最近の進歩です (Cullen & Pfister 2011)。光神経インターフェースには、光記録とオプトジェネティクスが含まれ、特定の脳細胞を光に敏感にしてその活動を調節します。 光ファイバーを脳内に埋め込むと、光を使って標的のニューロンを刺激したり沈黙させたりできるほか、電極の代わりに光子活動（神経活動の 代理）を記録することもできる。二光子励起顕微鏡は、生きた神経ネットワークやニューロン間のコミュニケーションイベントを研究することができる。^[12]

脳コンピューターインターフェースは、人間の神経系と直接通信して神経回路を監視および刺激し、内因性神経機能障害を診断および治療することを目指しています。深部脳刺激法はこの分野における大きな進歩であり、神経組織を高周波で刺激して震えを抑えることでパーキンソン病などの運動障害を治療するのに特に効果的です (Lega 他、2011 年)。

神経マイクロシステムは、電気的、化学的、磁気的、光学的信号を解釈し、神経組織に伝えるために開発することができます。膜電位の変化を検出し、電極を使用したり、化学濃度、蛍光強度、磁場電位を評価したりすることで、スパイクの集団、振幅、速度などの電気的特性を測定できます。これらのシステムの目的は、神経組織の電位に影響を与える信号を伝え、脳組織を刺激して望ましい反応を引き起こすことです。^[5]

マイクロ電極アレイは、活動電位が軸索に沿って伝播することで生じる細胞外環境の急激な電圧変化を検出するために使用される特別なツールです。マーク・アレン博士とラプラカ博士は、SU-8 や SLA ポリマーなどの細胞適合性材料から 3D 電極を微細加工し、組織の破壊を最小限に抑える高いコンプライアンスと柔軟性を特徴とする in vitro および in vivo マイクロ電極システムの開発につながりました。

神経補綴具は、神経系を刺激し、その活動を記録することで、神経系の失われた機能を補ったり置き換えたりできる装置です。神経の発火を測定する電極は、補綴具と統合して、送信された信号が意図する機能を実行するように補綴具に信号を送ることができます。感覚補綴具は、人工センサーを使用して、生物学的ソースから欠落している可能性のある神経入力を置き換えます。^[5] これらの装置を研究するエンジニアは、神経組織との永続的で安全な人工インターフェースを提供する責任を負っています。おそらく、これらの感覚補綴具の中で最も成功したのは、聴覚障害者の聴覚能力を回復させた 人工内耳です。視覚障害者の視覚能力を回復するための視覚補綴具は、まだ開発のより基本的な段階にあります。運動補綴具は、脳や脊髄の制御機構を代替できる、生物学的神経筋系の電気刺激に関係する装置です。スマート補綴具は、切断者の切断端から筋肉に神経を移植することで、神経信号によって制御される失われた手足を置き換えるように設計できます。感覚補綴物は、末梢からの機械的刺激を神経系がアクセスできる符号化情報に変換することで感覚フィードバックを提供する。^[16] 皮膚上に置かれた電極は信号を解釈し、義肢を制御することができる。これらの補綴物は非常に成功している。機能的電気刺激（FES）は、立つ、歩く、手を握るなどの運動プロセスを回復することを目的としたシステムである。^[12]

ニューロロボティクスは、神経系を機械に具体化して動きをエミュレートする方法を研究する分野です。ニューロロボットは通常、運動制御と移動、学習と記憶の選択、価値体系と行動の選択を研究するために使用されます。実世界の環境でニューロロボットを研究することで、ロボットの機能のヒューリスティックを、組み込まれた神経系と環境に対するこれらのシステムの反応の観点から説明するために、より簡単に観察および評価できます。^[17] たとえば、てんかん性スパイク波ダイナミクスの計算モデルを使用して、疑似スペクトルプロトコルによる発作軽減をシミュレートする方法の有効性がすでに証明されています。この計算モデルは、特発性全般てんかんの患者の磁気イメージング共鳴を使用して脳の接続性をエミュレートします。この方法は、発作を軽減できる刺激を生成することができました。

神経組織の再生、または神経再生は、小さな損傷や外傷性脳損傷によって引き起こされるような大きな損傷で損傷したニューロンの機能を回復することを目指しています。損傷した神経の機能回復には、神経支配部位への軸索再生のための連続経路の再構築が含まれます。ジョージア工科大学のラプラカ博士のような研究者は、組織工学戦略を適用することで、外傷性脳損傷および脊髄損傷後の修復および再生の治療法の発見に貢献したいと考えています。ラプラカ博士は、外傷性損傷後に形成される不規則な形状の病変に最小限の侵襲で送達するために、神経幹細胞と細胞外マトリックスタンパク質ベースの足場を組み合わせる方法を研究しています。ラプラカ博士の研究室では、in vitro で神経幹細胞を研究し、代替細胞源を探索し、足場に使用できる新しいバイオポリマーを設計し、外傷性脳損傷および脊髄損傷のモデルで in vivo での細胞または組織工学構築物の移植を調査することで、損傷後の神経再生の最適な戦略を特定することを目指しています。

損傷した神経末端を端から端まで外科的に縫合すると、自家神経移植で小さな隙間を修復できる。より大きな損傷には、体の別の部位から採取した自家神経移植が使用されることもあるが、このプロセスは時間がかかり、費用がかかり、2回の手術が必要となる。^[14] CNSの臨床治療は最小限しか利用できず、主に損傷部位または炎症部位近くの骨片によって引き起こされる付随的な損傷を軽減することに焦点を当てている。損傷周囲の腫れが引いた後、患者はリハビリテーションを受け、損傷した神経の神経機能の欠如を補うように残りの神経を訓練することができる。現在、損傷したCNS神経の神経機能を回復させる治療法はない。

脊髄損傷の修復のための工学戦略は、神経再生に適した環境を作り出すことに重点を置いています。これまで末梢 PNS 神経損傷のみが臨床的に可能でしたが、遺伝子技術と生体材料の研究の進歩により、許容される環境では SC 神経が再生する可能性があることが実証されています。

自家 組織移植の利点は、生体適合性が高い可能性が高い天然素材から作られ、神経に構造的サポートを提供し、細胞の接着と移動を促進することです。^[14]非自家組織、無細胞移植、細胞外マトリックスベースの材料はすべて、神経再生のための理想的な足場を提供できるオプションです。一部は免疫抑制剤と組み合わせる必要がある同種または異種組織から作られています。その他には、小腸粘膜下組織や羊膜組織移植があります。合成材料は、その物理的および化学的特性を通常制御できるため、魅力的なオプションです。合成材料に残る課題は生体適合性です。メチルセルロースベースの構造は、この目的に役立つ生体適合性のオプションであることが示されています。^[18] AxoGenは、細胞移植技術AVANCEを使用して人間の神経を模倣しています。末梢神経損傷患者の87％で有意な回復を達成することが示されています。^[19]

神経誘導チャネル、神経誘導導管は、成長を導く軸索の発芽のための導管を提供し、瘢痕組織による成長阻害を軽減する、より大きな欠損に焦点を当てた革新的な戦略です。神経誘導チャネルは、望ましい寸法の導管に容易に形成され、滅菌可能で、引き裂きに強く、取り扱いや縫合が容易でなければなりません。^[14]理想的には、神経再生とともに時間の経過とともに分解し、柔軟で半透性があり、形状を維持し、実際の神経を模倣した滑らかな内壁を持つ必要があります。

神経再生を促進するには、高度に制御された送達システムが必要です。 神経栄養因子は、発達、生存、成長、および分岐に影響を与える可能性があります。神経栄養因子には、神経成長因子（NGF）、脳由来神経栄養因子（BDNF）、神経栄養因子3（NT-3）、神経栄養因子4/5（NT-4/5）が含まれます。その他の因子には、毛様体神経栄養因子（CNTF）、グリア細胞株由来成長因子（GDNF）、酸性および塩基性線維芽細胞成長因子（aFGF、bFGF）があり、さまざまな神経反応を促進します。^[14] フィブロネクチンは、ラットのTBI後の神経再生をサポートすることも示されています。^[20]他の治療法では、再生関連遺伝子（RAG）、神経細胞骨格成分、抗アポトーシス因子の上方制御による神経再生が検討されています。 RAGにはGAP-43とCap-23、L1ファミリー、NCAM、N-カドヘリンなどの接着分子が含まれます。また、グリア瘢痕化による中枢神経系の阻害性生体分子を阻害する可能性もあります。現在研究されているものには、コンドロイチナーゼABCによる治療とNgR、ADPリボースの阻害があります。^[14]

送達デバイスは生体内で生体適合性と安定性を備えていなければならない。例としては、浸透圧ポンプ、シリコンリザーバー、ポリマーマトリックス、マイクロスフィアなどがある。遺伝子治療技術も成長因子の長期的生産を目的として研究されており、リポプレックスなどのウイルスベクターまたは非ウイルスベクターで送達できる可能性がある。細胞はECM成分、神経栄養因子、細胞接着分子の送達媒体としても効果的である。嗅覚鞘細胞（OEC）と幹細胞、遺伝子組み換え細胞は神経再生をサポートする移植として使用されている。^{[11] [14] [20]}

高度な治療法は、複雑な誘導チャネルと複数の刺激を組み合わせて、縦方向に整列した繊維またはチャネルの内部マトリックスを含む神経構造を模倣した内部構造に焦点を当てています。これらの構造の製造には、磁性ポリマー繊維整列、射出成形、相分離、固体自由形状製造、インクジェットポリマー印刷など、さまざまな技術を使用できます。^[14]

人間の神経系の拡張、つまり工学技術を用いた人間の能力強化は、神経工学のもう一つの応用例です。脳深部刺激は、神経疾患の治療に現在この治療法を使用している患者が指摘しているように、記憶の想起を高めることがすでに実証されています。脳刺激技術は、個人の要求に応じて、感情や性格を形作るだけでなく、意欲を高め、抑制を減らすなどできると考えられています。この種の人間の能力強化に関する倫理的問題は、研究が進むにつれて神経工学者が取り組まなければならない新たな一連の問題です。^[12]

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• ワイヤーヘッド（SF）

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