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光はニューロンに影響を与える可能性があり、ニューロンが機能しなくなると、アルツハイマー病、てんかん、その他の障害を引き起こす可能性があります。

脳には何十億ものニューロンが含まれています。これは、電気インパルスと化学信号を使用して相互に通信したり、体の他の部分と通信したりする小さな細胞です。

ニューロンが適切に機能しなくなると、アルツハイマー病、てんかん、うつ病などの脳障害が発生する可能性があります。

これらの障害をよりよく理解して管理するために、科学者はそれらが神経活動に影響を与えることを可能にする脳刺激の技術を開発してきました。

脳深部刺激療法の従来の方法では、電気神経刺激装置、または「脳ペースメーカー」が外科的に脳に埋め込まれます。

脳科学が進歩し続けるにつれて、研究者たちは脳の奥深くにある細胞を刺激する低侵襲の方法を開発してきました。

一部の専門家はニューロンを刺激するために磁気パルスまたは音波を使用していますが、光遺伝学の分野の研究者は光を使用しています。

今年の神経調節に関する科学およびPINS賞の受賞者であるShuoChen、PhDは、この分野での彼の業績が認められました。

「博士。 Chenらは、近赤外光を特定のナノ粒子と組み合わせて使用​​すると、脳の深部にあるニューロンを刺激できることを示しました。」博士スタンフォード大学の生物工学、精神医学、行動科学の教授であるカール・ダイセロスは、ヘルスラインに語った。

「これを堅牢で有用なプロセスにするためには、さらに多くの作業を行う必要があります。しかし、Chen博士と同僚​​は重要な一歩を踏み出しました。」

光に敏感な脳細胞のエンジニアリング

ダイセロスは、光に反応するように脳細胞を遺伝子操作する技術である光遺伝学の先駆者の1人です。

この脳刺激の方法では、科学者は藻類や他の微生物に由来する遺伝暗号の断片をマウスや他の動物の脳細胞に移します。その遺伝暗号により、ニューロンはオプシンとして知られる光応答性タンパク質を生成します。

科学者がオプシン産生ニューロンを特定の波長の可視スペクトル光にさらすと、それらのニューロンはオンまたはオフになります。

特定のニューロンを活性化または抑制することにより、研究者はそれらのニューロンが脳機能および脳障害において果たす役割についてさらに学ぶことができます。

「このようにして、細胞活動の因果的役割と機能的重要性は、記憶から気分、動きに至るまで、関心のあるあらゆる種や組織または行動で決定することができます。」ダイセロスは言った。

「光遺伝学は、細胞型の特異性と速度の点で、脳の自然言語を話すための比類のない能力をもたらします」と彼は付け加えました。

非侵襲的技術の開発

オプシン産生ニューロンは可視スペクトル光にのみ反応し、脳組織に深く浸透することはできません。

その結果、光遺伝学的刺激は歴史的に脳内に光ファイバー光源を挿入する必要がありました。

より侵襲性の低い光送達方法を開発するために、ダイセロスと彼の同僚であるポリーナアニケエバ博士は、近赤外線(NIR)光の使用を提案しました。

NIR光は、内部光源を挿入することなく、頭蓋骨を通過して脳組織の奥深くまで到達できます。ただし、NIR光はオプシン産生ニューロンからの応答をトリガーしません。

NIR光の組織透過力を利用するために、DeisserothとAnikeevaは、NIR光を可視スペクトル光に変換する小さなナノ粒子でオプシン産生ニューロンをコーティングするための特許取得済みの方法を考案しました。この手法は、NIRアップコンバージョンとして知られています。

Chenと彼の研究チームはこの方法を適用し、NIRアップコンバージョンオプトジェネティクスを使用してマウスの脳の深部にあるニューロンを制御できることを初めて示しました。

チェンの研究チームは、この技術を使用して、うつ病に関与すると考えられている脳の領域でのドーパミンの放出を刺激しました。

「光学的侵入深さの課題を克服することは、高い臨床的翻訳の可能性を備えた非侵襲的な遠隔光遺伝学を実現するための鍵となるでしょう。」チェンは彼に書いた入賞エッセイ話題になっている。

「私たちの最近の研究は、既存の光遺伝学的ツールを近赤外領域に「シフト」するナノマテリアル支援アプローチを適用することによって、この問題に対処しました」と彼は付け加えました。

人間に脳刺激を与える

科学者はマウス、ゼブラ魚、その他の動物の光遺伝学を研究し続けていますが、人間の被験者の脳障害の治療法としては研究されていません。

光送達の非侵襲的方法、および遺伝暗号を脳細胞に伝達するための非侵襲的戦略を開発およびテストするには、さらに多くの作業を行う必要があります。

「次世代の非侵襲的脳刺激技術の最前線にどの技術が登場するかを予測するのは時期尚早です」チェンは、米国科学振興協会が発行したプレスリリースで述べています。

「しかし、NIRアップコンバージョンオプトジェネティクスなどの成果は、多くの開発ルートを急速に解き放ち、明るい治療の未来への道を開いていると信じています」と彼は続けました。

その間、非侵襲的な脳刺激の他の方法も開発され、テストされ、人間で使用されています。

「経頭蓋の磁気および電気刺激など、遺伝子治療を必要としない非侵襲的な方法があります。これらは、実験的に人間の被験者にすでに一般的に使用されています。」マサチューセッツ工科大学(MIT)のニューロテクノロジー教授であるエドボイデン博士はヘルスラインに語った。

経頭蓋磁気刺激法(TMS)は、磁場を使用して脳内の神経細胞を刺激する非侵襲的手法です。食品医薬品局(FDA)はすでに許可大うつ病、強迫性障害、片頭痛の治療薬としてのTMSの販売。

ボイデンの研究グループのメンバーは、電極を頭皮に配置する脳刺激への非侵襲的アプローチである経頭蓋電気刺激(TES)に関する研究も行っています。彼らは、この技術により、TMSよりも高い精度で脳の深部の細胞に到達できるようになることを望んでいます。

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