Nature Neuroscience (2022) Technical Report
Published: 31 January 2022
Large-scale neural recordings with single neuron resolution using Neuropixels probes in human cortex (ヒト大脳皮質におけるニューロピクセルプローブを用いた単一ニューロン分解能での大規模神経記録)
Angelique C. Paulk, Yoav Kfir, Arjun R. Khanna, Martina L. Mustroph, Eric M. Trautmann, Dan J. Soper, Sergey D. Stavisky, Marleen Welkenhuysen, Barundeb Dutta, Krishna V. Shenoy, Leigh R. Hochberg, R. Mark Richardson, Ziv M. Williams & Sydney S. Cash
- Center for Neurotechnology and Neurorecovery, Department of Neurology, Massachusetts General Hospital, Boston, MA, USA
- Department of Neurology, Harvard Medical School, Boston, MA, USA
要約
近年の多電極アレイ技術の進歩により，動物モデルでは大規模な神経細胞アンサンブルを細胞レベルの分解能でモニターすることが可能になった。しかし，ヒトの場合，現在の方法では，電極1本あたり数個のニューロンしか記録できなかったり，数千個のニューロンの信号を組み合わせて局所磁場電位（LFP）を記録したりしている。本研究では，シリコン製のニューロピクセルプローブを用いて，術中の脳神経外科手術において，分離された200個以上の皮質単一ユニットからの同時記録を可能にする新しいプローブのバリエーションと技術を紹介する。その結果、発火率、電極アレイの長さ方向の位置、波形の空間的広がり、発作間放電やバースト抑制などのLFPイベントによる変調などが異なる、8つの分離可能なシングルユニットクラスの多様な細胞外波形を特徴づけることができた。このように、高密度シリコンアレイを用いることで、ヒト特有の認知プロセスやその機能障害を、これまでにない時空間分解能で研究することができる。
Discussion
この技術を術中の研究に応用する際には、記録に必要な時間的制約があることも課題となる。ニューロピクセルを挿入した直後に単一ユニット解像度の記録が得られたことは、有用な情報が短時間で得られることを示しており、心強い限りだが、患者の安全を考えると、手術室での滞在時間を大幅に延長することは不適切である。著者たちの今回の研究では、余分な時間を控えめに15分程度に制限した。例えば，稀にしか発火しない，あるいは特定の状況下でしか発火しない細胞タイプは観察されにくいだろう。他の生物種での研究では，かなり長い時間（45分）の記録で最適な記録安定性が得られることが示されている。さらに、手術室での記録時間は、さまざまな状況下で延長することができる。例えば、覚醒下での腫瘍摘出手術の際には、広範囲の言語マッピングを行うことで、より長時間の記録が可能になるだろう。
実際、ニューロピクセルプローブを用いた手術室での急性実験の威力は、覚醒した患者が記録期間中に課題に取り組む実験で発揮されることになるだろう。また、単一ニューロンの集団に対する独立性40や、人間の脳における進行波41のような広範なLFP活動に対する独立性など、神経ダイナミクスをめぐる基本的な問題にもアプローチできるようになるだろう。最も興味深いのは、ニューロピクセル（または将来の改良型）が、シングルチャネルまたは低チャネル数のプローブと比較してチャネル数を大幅に増やすことで、臨床電気生理学を加速する可能性があることである。例えば、これらのプローブを使用すると、てんかん状の活動を支える神経細胞の活動、麻酔薬の効果、脳腫瘍の病態生理などを詳細に調べることができる。これらの疾患やその他の臨床関連疾患を理解するには、高解像度でマイクロスケールの単一ニューロン情報が必要である。
以上のように、ニューロピクセルのアプローチは、ヒトの脳の様々な領域における高次認知機能の基盤となる細胞レベルのコードを、より高度かつ詳細に探究するための道筋を示しており、臨床的に重要な神経活動のダイナミクスをより深く理解するための方法でもある。また、高チャンネル数の慢性的なニューラルインターフェースをヒトに向けて開発するための一歩でもあり、ブレイン・コンピュータ・インターフェースの治療の可能性を加速し、拡大することができるかもしれない。
