単体記録

神経科学において、単一ユニット記録（単一ニューロン記録とも呼ばれる）は、微小電極システムを使用して 単一のニューロンの電気生理学的応答を測定する方法を提供します。ニューロンが 活動電位を生成すると、信号はニューロン内を電流として伝播し、細胞体と軸索の興奮性膜領域を通って細胞に出入りします。微小電極を脳に挿入すると、時間に対する電圧の変化率を記録できます。これらの微小電極は先端が細く、インピーダンス整合している必要があります。^[1]これらは主にガラス製のマイクロピペット、プラチナ、タングステン、イリジウム、さらには酸化イリジウムでできた金属微小電極です。^{[2] [3] [4]微小電極を}細胞膜の近くに注意深く配置すると、細胞外で記録できるようになります。

単一ユニット記録は認知科学の分野で広く使用されており、人間の認知や皮質マッピングの分析を可能にします。この情報は、外部デバイスの脳制御のための脳-マシンインターフェース（BMI）技術に応用できます。^[5]

脳の活動を記録する技術は数多くあり、その中には脳波記録（EEG）、脳磁図（MEG）、機能的磁気共鳴画像（fMRI）などがありますが、これらでは単一ニューロンの解像度は得られません。^[6]ニューロンは脳の基本的な機能単位であり、活動電位と呼ばれる電気信号を使用して体内に情報を伝達します。現在、単一ユニット記録は単一ニューロンからの最も正確な記録を提供します。単一ユニットとは、スパイク電位が記録用マイクロ電極によって明確に分離された単一の発火ニューロンとして定義されます。^[3]

ニューロンからの信号を記録する能力は、ニューロンを通る電流の流れを中心にしています。活動電位が細胞内を伝播すると、電流は興奮性膜領域で細胞体と軸索に出入りします。この電流は、細胞内（および細胞外）に測定可能な変化する電位を作り出します。これにより、2 つの基本的なタイプの単一ユニット記録が可能になります。細胞内単一ユニット記録はニューロン内で行われ、活動電位中に膜全体の電圧変化（時間に関して）を測定します。これは、膜静止電位、シナプス後電位、および細胞体（または軸索）を通るスパイクに関する情報を含むトレースとして出力されます。あるいは、微小電極が細胞表面に近い場合、細胞外記録は細胞外での電圧変化（時間に関して）を測定し、スパイク情報のみを提供します。^[7]単一ユニット記録にはさまざまな種類の微小電極を使用できます。これらは通常、高インピーダンス、先端が細く、導電性です。先端が細いと細胞に大きなダメージを与えることなく簡単に貫通できるが、高インピーダンスとも相関関係にある。さらに、電気伝導性および/またはイオン伝導性により、非分極性電極と分極性電極の両方からの記録が可能になる。^[8]電極には主にガラス製マイクロピペットと金属電極の2種類がある。電解質を充填したガラス製マイクロピペットは主に細胞内の単一ユニットの記録に使用され、金属電極（一般的にステンレス鋼、プラチナ、タングステン、イリジウム製）は両方のタイプの記録に使用される。^[3]

単一ユニット記録は、脳を研究し、その知識を現在の技術に適用するためのツールを提供してきました。認知科学者は、動物や人間の脳の単一ユニット記録を使用して、行動や機能を研究してきました。また、てんかん患者の脳に電極を挿入して、てんかん焦点の位置を特定することもできます。^[6]最近では、単一ユニット記録は脳マシンインターフェース（BMI）に使用されています。BMIは脳信号を記録し、意図された反応を解読し、外部デバイス（コンピューターのカーソルや義肢など）の動きを制御します。^[5]

単一ユニットから記録する能力は、神経系が電気的特性を持っているという発見から始まりました。それ以来、単一ユニットの記録は神経系のメカニズムと機能を理解するための重要な方法になりました。長年にわたり、単一ユニットの記録は皮質の地形図作成に関する洞察を提供し続けました。最終的にマイクロ電極アレイが開発され、一度に複数のユニットから記録できるようになりました。

• 1790年代: 神経系における電気活動の最初の証拠は、 1790年代にルイジ・ガルヴァーニが解剖したカエルの研究で観察されました。彼は、火花を飛ばすことで死んだカエルの足をけいれんさせることができることを発見しました。^[9]
• 1888年：スペインの神経科学者サンティアゴ・ラモン・イ・カハールは、神経系の構造と基本的な機能単位であるニューロンの存在を説明したニューロン理論で神経科学に革命を起こした。彼はこの研究により1906年にノーベル生理学・医学賞を受賞した。^[10]
• 1928年: 神経系から記録できることに関する最も初期の記述の1つは、エドガー・エイドリアンが1928年に出版した「感覚の基礎」である。この中で、彼はリップマン電位計を使用して単一の神経繊維の放電を記録したことを述べている。彼はニューロンの機能を明らかにした研究により、1932年にノーベル賞を受賞した。^[11]
• 1940年：レンショー、フォーブス、モリソンは、ガラス微小電極を使用して猫の海馬の錐体細胞の放電を記録する独自の研究を行った。 ^[12]
• 1950年：ウォルドリングとディルケンは、白金線を使って大脳皮質の表面からスパイク活動を得る能力があると報告した。^[13]
• 1952年：リーとジャスパーはレンショウ、フォーブス、モリソン法を応用して猫の大脳皮質の電気活動を研究した。^[14] ホジキン・ハクスリーモデルが発表され、イカの巨大な軸索を使って活動電位の正確なメカニズムが決定された。^[15]
• 1953年：記録用にイリジウム微小電極が開発される。 ^[16]
• 1957年:ジョン・エクルズが細胞内単一ユニット記録法を用いて運動ニューロンのシナプス機構を研究した（これにより1963年にノーベル賞を受賞した）。
• 1958年：記録用にステンレス鋼の微小電極が開発されました。^[17]
• 1959年:デイビッド・H・ヒューベルとトルステン・ヴィーゼルによる研究。彼らは、タングステン電極を使用して、麻酔も拘束もされていない猫の視覚皮質を単一ニューロン記録でマッピングしました。この研究により、彼らは視覚システムの情報処理に対して1981年のノーベル賞を受賞しました。
• 1960年: 記録用にガラス絶縁白金微小電極が開発されました。^[18]
• 1967年：記録用の多電極アレイの最初の記録が、マーグとアダムスによって発表されました。彼らはこの方法を応用して、診断および治療用の脳手術のために、1人の患者で一度に多くのユニットを記録しました。^[19]
• 1978年：シュミットらはサルの皮質に慢性記録用微小皮質電極を埋め込み、サルにニューロンの発火率を制御することを教えることができることを示しました。これはニューロン信号を記録し、それをBMIに使用する可能性への重要なステップでした。^[20]
• 1981年：クルーガーとバッハは30個の個別の微小電極を5x6構成で組み立て、複数のユニットを同時に記録するために電極を埋め込んだ。^[21]
• 1992年：「ユタ皮質内電極アレイ（UIEA）」の開発。これは、神経生理学や神経補綴の用途で大脳皮質の柱状構造にアクセスできる複数の電極アレイである。 ^{[22] [23]}
• 1994年：複数の記録部位を持つシリコン平面電極であるミシガンアレイが開発されました。この技術に基づいて、民間の神経技術会社であるNeuroNexusが設立されました。^[24]
• 1998年：ケネディとバケイによる神経栄養電極の開発により、BMIの重要なブレークスルーが達成されました。彼らは、随意運動を制御する能力に影響を与える神経疾患である筋萎縮性側索硬化症（ALS）の患者において、微小電極アレイを使用してコンピュータカーソルを制御し、活動電位を記録することに成功しました。^[25]
• 2016年：イーロン・マスクは超高帯域幅BMIの開発を目指すNeuralinkを共同設立し、1億ドルを投資した。2019年、彼とNeuralinkは研究成果を発表し、その後ライブストリームの記者会見を行った。^[26]

単一ユニット記録の基礎は、ニューロンからの電気信号を記録する能力に依存します。

マイクロ電極をイオン水溶液に挿入すると、陽イオンと陰イオンが電極と反応して電極-電解質界面を形成する傾向があります。この層の形成はヘルムホルツ層と呼ばれています。電極全体に電荷分布が発生し、参照電極に対して測定できる電位が生成されます。^[3]神経電位の記録方法は、使用する電極の種類によって異なります。非分極性電極は可逆的です (溶液中のイオンは充電および放電されます)。これにより、電極を流れる電流が生成され、時間に対する電極の電圧測定が可能になります。通常、非分極性電極は、イオン溶液または金属で満たされたガラス製マイクロピペットです。一方、理想的な分極電極にはイオンの変換がなく、通常は金属電極です。^[8]代わりに、金属表面のイオンと電子は、溶液の電位に対して分極します。電荷は界面で配向して電気二重層を形成し、金属はコンデンサのように機能します。時間に対する静電容量の変化はブリッジ回路を使用して測定し、電圧に変換することができます。^[27]この技術を使用すると、ニューロンが活動電位を発火すると、電位場に変化が生じ、これをマイクロ電極を使用して記録できます。齧歯類モデルの皮質領域からの単一ユニット記録は、マイクロ電極の位置する深さに依存することが示されています。^[28]麻酔状態と覚醒状態を比較すると、2%イソフルラン下での齧歯類モデルの単一ユニット活動は、神経学的記録のノイズレベルを下げることが示されています。覚醒状態の記録では、ピークツーピーク電圧振幅が14%増加しました。^[29]

細胞内では、電極が活動電位、静止電位、シナプス後電位の発火を直接記録します。ニューロンが発火すると、ニューロンの軸索と細胞体の興奮性領域に電流が流入および流出します。これにより、ニューロンの周囲に電位場が形成されます。ニューロンの近くにある電極は、これらの細胞外電位場を検出し、スパイクを作成できます。^[3]

単一ユニットを記録するために必要な基本的な機器は、マイクロ電極、増幅器、マイクロマニピュレータ、および記録装置です。使用するマイクロ電極の種類は、アプリケーションによって異なります。これらの電極の高抵抗は、信号増幅中に問題を引き起こします。入力抵抗の低い従来の増幅器に接続すると、マイクロ電極全体で大きな電位降下が生じ、増幅器は真の電位のごく一部しか測定しません。この問題を解決するには、電圧を収集して従来の増幅器に供給するためのインピーダンス整合装置としてカソードフォロワ増幅器を使用する必要があります。単一のニューロンから記録するには、マイクロマニピュレータを使用して脳に電極を正確に挿入する必要があります。これは、細胞内の単一ユニット記録では特に重要です。

最後に、信号は記録装置にエクスポートする必要があります。増幅後、信号はさまざまな技術でフィルタリングされます。信号はオシロスコープとカメラで記録できますが、より現代的な技術では、信号をアナログ-デジタルコンバーターで変換し、コンピューターに出力して保存します。データ処理技術により、単一ユニットの分離と分析が可能になります。^[7]

単一ユニット記録に使用されるマイクロ電極には、ガラス製マイクロピペットと金属電極の 2 つの主な種類があります。どちらも高インピーダンス電極ですが、ガラス製マイクロピペットは抵抗が高く、金属電極は周波数に依存するインピーダンスを持ちます。ガラス製マイクロピペットは静止電位と活動電位の測定に理想的ですが、金属電極は細胞外スパイクの測定に最適です。各タイプには異なる特性と制限があり、特定の用途で役立つ場合があります。

ガラス製マイクロピペットには導電性を持たせるためにイオン溶液が充填されており、銀-塩化銀(Ag-AgCl) 電極が電気端子として充填溶液に浸されています。理想的には、イオン溶液には電極の周囲のイオン種と類似したイオンが含まれている必要があります。電極内部と周囲の液体の濃度は同じである必要があります。さらに、電極内のさまざまなイオンの拡散特性も同様である必要があります。イオンは「実験のニーズに見合った電流容量を提供」できなければなりません。そして重要なことは、記録元の細胞に生物学的変化を引き起こさないことです。Ag-AgCl 電極は主に塩化カリウム(KCl) 溶液で使用されます。Ag-AgCl 電極では、イオンが反応して界面に電気勾配を生成し、時間に対する電圧変化を生み出します。電気的には、ガラス製マイクロ電極の先端は抵抗が高く、静電容量も高くなります。先端サイズは約 0.5～1.5 μm で、抵抗は約 10～50 MΩ です。先端が小さいため、細胞膜に簡単に浸透し、細胞内記録に最小限のダメージしか与えません。マイクロピペットは静止膜電位の測定に最適で、調整すれば活動電位も記録できます。ガラス製マイクロピペットを使用する際には、考慮すべき点がいくつかあります。ガラス製マイクロピペットの高抵抗を相殺するには、第 1 段の増幅器としてカソードフォロワを使用する必要があります。さらに、ガラスと導電性溶液の間に高容量が発生し、高周波応答を減衰させる可能性があります。また、これらの電極と増幅器には固有の電気的干渉もあります。^{[7] [30]}

金属電極は、シリコン、プラチナ、タングステンなどのさまざまなタイプの金属で作られています。これらは「漏れやすい電解コンデンサに似ており、低周波インピーダンスが非常に高く、高周波インピーダンスが低い」^{[30] 。これらは細胞外活動電位の測定に適していますが、ガラス製マイクロピペットも使用できます。金属電極は、スパイク信号の周波数範囲に対するインピーダンスが低いため、}信号対雑音比が高いため、場合によっては有益です。また、脳組織を穿刺するための機械的剛性も優れています。最後に、さまざまな先端形状やサイズに大量生産するのが簡単です。^[3] プラチナ電極は、プラチナブラックメッキされ、ガラスで絶縁されています。「通常、安定した記録、高い信号対雑音比、優れた絶縁性が得られ、通常の先端サイズでは非常に頑丈です」。唯一の制限は、先端が非常に細く壊れやすいことです。^[7] シリコン電極は、シリコンと絶縁ガラスカバー層がドープされた合金電極です。シリコン技術は機械的剛性に優れ、単一の電極上に複数の記録部位を設けるための優れた支持担体である。^[31] タングステン電極は非常に頑丈で、非常に安定した記録が得られる。これにより、高周波を分離するために非常に小さな先端を持つタングステン電極を製造することができる。しかし、タングステンは低周波では非常にノイズが多い。高速信号がある哺乳類の神経系では、ハイパスフィルターでノイズを除去できる。低速信号はフィルターをかけると失われるため、タングステンはこれらの信号を記録するのに適していない。^[7]

単一ユニットの記録により、単一ニューロンの活動を監視できるようになりました。これにより、研究者は機能と行動における脳のさまざまな部分の役割を発見できるようになりました。最近では、単一ニューロンからの記録を使用して、「マインドコントロール」デバイスを設計できるようになりました。

中枢神経系を研究するための非侵襲的ツールは、構造的および機能的情報を提供するために開発されてきたが、それらは非常に高い解像度を提供しない。この問題を補うために、侵襲的記録方法が使用されてきた。単一ユニット記録方法は、高い空間的および時間的解像度を提供し、脳の構造、機能、および行動の関係を評価する情報を可能にする。ニューロンレベルで脳の活動を見ることによって、研究者は脳の活動を行動に結び付け、脳を通る情報の流れを説明するニューロンマップを作成することができる。例えば、Boraudらは、単一ユニット記録を使用してパーキンソン病患者の基底核の構造組織を決定することを報告している。^[32] 誘発電位は、行動を脳機能に結び付ける方法を提供する。異なる反応を刺激することによって、脳のどの部分が活性化されているかを視覚化することができる。この方法は、知覚、記憶、言語、感情、および運動制御などの認知機能の調査に使用されてきた。^[5]

ブレイン・マシン・インターフェース（BMI）は、過去20年以内に開発されました。単一ユニットの電位を記録することで、これらのデバイスはコンピューターを介して信号をデコードし、この信号を出力してコンピューターのカーソルや義肢などの外部デバイスを制御できます。BMIは、麻痺や神経疾患の患者の機能を回復させる可能性があります。この技術は、さまざまな患者に届く可能性がありますが、長期にわたる信号記録の信頼性がないため、まだ臨床的には利用できません。この失敗に関する主な仮説は、電極の周りの慢性炎症反応が神経変性を引き起こし、記録できるニューロンの数を減らすというものです（Nicolelis、2001）。^[33] 2004年に、BrainGateパイロット臨床試験が開始され、「皮質内100電極シリコン記録アレイに基づく神経インターフェースシステムの安全性と実現可能性をテストする」ことになりました。この取り組みはBCIの進歩に成功し、2011年には四肢麻痺患者に対する長期のコンピュータ制御を示すデータが公開されました（Simeral、2011）。^[34]

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• ニューロンの電気生理学
• アメリカ神経精神薬理学会：電気生理学
• 神経記録
• Scholarpedia - 電圧クランプ
• ブレインゲート