ワイヤレスで充電・制御できる脳インプラントデバイス開発

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ワイヤレスで充電・制御できる脳インプラントデバイス

韓国科学技術院の研究チームが、バッテリー交換がなく、脳回路を制御でき、体外からワイヤレスで再充電できる小さな脳インプラントを設計しました。このデバイスは、組織と長期的な適合をするために、柔らかく、生体に準拠したポリマーで出来ています。

A group of KAIST researchers and collaborators have engineered a tiny brain implant that can be wirelessly recharged from outside the body to control brain circuits for long periods of time without battery replacement. The device is constructed of ultra-soft and bio-compliant polymers to help provide long-term compatibility with tissue. Geared with micrometer-sized LEDs (equivalent to the size of a grain of salt) mounted on ultrathin probes (the thickness of a human hair), it can wirelessly manipulate target neurons in the deep brain using light.
参照元：https://news.kaist.ac.kr/newsen/html/news/?mode=V&mng_no=12111
– 韓国科学技術院 The Korea Advanced Institute of Science and Technology. 2021-01-26 –

概要：

ワイヤレス埋め込み型デバイス技術は、脳の研究中に自由に動く動物のストレスと炎症を最小限に抑える
脳インプラントデバイスは、リアルタイムの脳波の提供や、LED発行による脳制御を行う
以前のバージョンのデバイスは、スマートフォン経由で、ワイヤレスで複数の薬剤と光刺激治療を無期限に提供
しかし、放電したバッテリーを交換するための断続的な手術が必要
さらに、かさばるワイヤレス電源のセットアップが必要
新バージョンのデバイスは、スマートフォンでリモートおよび選択的に制御可能
ワイヤレスバッテリーの充電と制御が可能
デバイス内で電気を生成してバッテリーを充電することができる
バッテリー駆動のBluetoothインプラントは、スマートフォンアプリを使用してリアルタイムの脳制御が可能
プログラム可能な光のパターンを脳細胞に提供できる

KAISTの研究者と共同研究者のグループは、バッテリーを交換せずに長期間脳回路を制御するために、体外からワイヤレスで再充電できる小さな脳インプラントを設計しました。
このデバイスは、組織との長期的な適合性を提供するために、非常に柔らかく、生体に準拠したポリマーで構成されています。

極細プローブ（人間の髪の毛の太さ）に取り付けられたマイクロメートルサイズのLED（塩の粒のサイズに相当）を装備し、光を使用して脳深部の標的ニューロンをワイヤレスで操作できます。

Jae-Woong Jeong教授が率いるこの研究は、彼が2019年に開発したワイヤレスヘッドマウントインプラント神経デバイスから一歩前進したものです。

以前のバージョンでは、スマートフォンを使用してワイヤレスで複数の薬剤と光刺激治療を無期限に提供できました。

アップグレードされた新しいバージョンでは、研究チームは、スマートフォンでリモートおよび選択的に制御できる、完全に移植可能なソフトオプトエレクトロニクスシステムを考案しました。

この研究は、2021年1月22日にネイチャー・コミュニケーションズに掲載されていました。

新しいワイヤレス充電技術は、現在の脳インプラントの限界に対処します。

ワイヤレス埋め込み型デバイス技術は、脳の研究中に自由に動く動物のストレスと炎症を最小限に抑え、デバイスの寿命を延ばすのに役立つため、従来のテザーインプラントの代替として最近人気があります。

ただし、このようなデバイスでは、放電したバッテリーを交換するための断続的な手術、または実験オプションと動物実験の拡張性を制限する特別でかさばるワイヤレス電源のセットアップが必要です。

チョン教授は話します。

「この強力なデバイスは、インプラント内の消耗したバッテリーを交換するための追加の痛みを伴う手術の必要性を排除し、シームレスな慢性神経調節を可能にします。脳深部刺激療法や心臓および胃のペースメーカーなど、さまざまな種類のインプラントに同じ基本技術を適用して、体内での長期使用による患者の負担を軽減できると考えています。」

ワイヤレスバッテリーの充電と制御を可能にするために、研究者はワイヤレスエネルギーハーベスターをコイルアンテナとBluetooth LowEnergyチップと統合する小さな回路を開発しました。

交流磁場は無害に組織を貫通し、デバイス内で電気を生成してバッテリーを充電することができます。

次に、バッテリー駆動のBluetoothインプラントは、リアルタイムの脳制御のための「使いやすい」スマートフォンアプリを使用して、プログラム可能な光のパターンを脳細胞に提供します。

KAISTの研究者である筆頭著者のChoong YeonKim氏は話します。

「このデバイスは、いつでもどこでも操作して神経回路を操作できるため、脳機能を調査するための非常に用途の広いツールになります。」

神経科学者は、ラットでこれらのインプラントをテストすることに成功し、ラットにコカインを注射した後、コカインによって誘発される行動を抑制する能力を実証しました。

これは、スマートフォンで制御されるLEDを使用して、脳内の関連するターゲットニューロンを正確に光刺激することで実現されました。

さらに、ラットが自由に行動している間、インプラントのバッテリーを繰り返し再充電できるため、実験の物理的な中断を最小限に抑えることができます。

延世大学医学部の研究者である共同主執筆者のミン・ジョンク氏は話します。

「ワイヤレスバッテリーの再充電により、実験手順がはるかに簡単になります。」

延世大学医学部の生理学教授チョンフン氏は話します。

「スマートフォンアプリを操作するだけで脳に光刺激を与え、近くで自由に動く動物を観察することで、動物の特定の行動を制御できるという事実は非常に興味深く、多くの想像力を刺激します。この技術は、脳研究のさまざまな手段を促進します。」