UC San Diego study achieves mind control by stimulating neurons

新しい動作の実行方法を学ぶとき、私たちの脳は新しいタスクを習得するにつれて詳細を心に刻み込みます。

ピアノを習う幼児からピックルボールのパドルストロークに慣れる初心者まで、私たちの脳は新しい運動能力を獲得するにつれて神経活動パターンを刻み込んでいきます。

これまでに、神経生物学者は、私たちがそのような特定の動きを学習するときに現れる脳の運動皮質の活動の識別可能なパターンを文書化しました。しかし、そのようなパターンが動きの生成に関与しているのか、それとも単に脳の他の領域によって引き起こされる動きを反映しているだけなのかという点については不明な点が残っている。さらに、パターン化された活動は運動皮質で生成されるのでしょうか、それとも他の場所から受け継がれるのでしょうか?

カリフォルニア大学サンディエゴ校の科学者たちは、その答えを見つけました。研究者らはマウスを研究し、高度な光学的手法やその他の技術を使用して、前例のない詳細な脳活動を分析した。研究者らは、新たに学習した動きを担う特定の領域を分離し、そこにある少数のニューロンを刺激して動きを生じさせ、その結果、ニューロンの記録と刺激を通じて一種の「読心」と「マインドコントロール」が実現した。

私たちは、運動皮質で厳選された約 20 個のニューロンのみを短時間活性化するだけで、学習された運動に関連する脳活動のより大きなパターンを引き起こし、多くの場合、学習された運動そのものを生み出すことができることを発見しました。マウスの脳には約 7,000 万個のニューロンがあることを考えると、このような小規模な刺激が特定の大規模な脳の活動や行動を引き起こす可能性があることは驚くべきことです。」

小宮山貴樹氏、上級著者、カリフォルニア大学サンディエゴ校教授 神経生物学（生物科学部）および神経科学（医学部）

雑誌に掲載された研究 自然この研究は生物科学大学院生の Qiyu Chen 氏が主導し、2023 年にモントリオールの火災で悲劇的に亡くなった小宮山研究室の副プロジェクトサイエンティスト、An Wu 氏が主導した研究に基づいています。

研究中、研究者らは脳活動を超高精度に視覚化する二光子カルシウムイメージングやニューロンを刺激するホログラフィック光遺伝学的手法など、最先端の研究技術を組み合わせて導入した。この先進的な手法により、研究者らは脳の活動を「読み取り」、特定のパターンで運動の制御を可能にする個々の細胞のレベルにまで「書き込む」実験を行うことができた。

新しい動きを学習するマウスの脳信号を記録したところ、研究者らは、動物が動きをする直前に活動レベルの上昇を示したニューロン、つまり「早期発症ニューロン」で特定された活動が、新たに学習した動きを開始させるのではないかという仮説を立てた。著者らは、これらのニューロンを人為的に刺激することで学習された運動を誘発できるかどうかをテストした。

「早期に発生するニューロンの刺激が運動を引き起こす可能性があることを観察した」と研究者らは研究で確認した。さらに、学習した動作の生成が成功するかどうかは、刺激直前の運動皮質の状態と、テスト対象のマウスが目の前の課題に取り組んでいたかどうかに依存することも発見した。

「新しい技術のおかげで、何百ものニューロンの活動を読み取り、そこに新しい活動を書き込むことができるようになり、その活動を制御できるようになりました」とチェン氏は語った。 「これにより、特定の行動中のニューロンの活動を観察できるという利点が得られます。ニューロンの機能的特性を特定し、選択したニューロンを選択的に刺激することでそれを追跡することができます。」

小宮山研究室では、主要なニューロン間の接続を調査するフォローアッププロジェクトで研究が続けられています。彼らは、学習した動きを生み出すためにニューロンがどのように互いに「対話」しているのかを知りたいと考えています。

科学者が脳卒中や麻痺患者を助けるブレイン・コンピューター・インターフェースを開発するにつれて、こうした研究はいつかさまざまな病気に役立つ可能性がある。運動に関連するニューロンがどのように調整されるかを学べば、最終的には日常生活活動のための特定の運動を引き出すのに役立つ可能性があります。さらに、特定の活動を脳に刻み込む能力は、将来的には学習を促進し、記憶を回復するために活用される可能性があります。