画期的な脳コンピューターインターフェースにはどのような化学物質が使われているのでしょうか?

米国の起業家マスク氏は2月20日、自身の脳コンピューターインターフェース企業「ニューラリンク」が初の人間脳デバイス移植手術を完了し、最初の被験者は「副作用もなく完全に回復したようだ。被験者は考えるだけでコンピューター画面上のマウスを動かすことができる」と述べた。この実験は人類にとって間違いなく大きな意義を持つ。人間の脳に電極、チップ、その他のデバイスを埋め込むことで、人間の脳と外部デバイスを接続する通信および制御チャネルが確立され、脳の生体電気信号で外部デバイスを直接制御したり、外部刺激で脳の活動を調節したりする目的が達成されます。これにより、将来の人間とコンピュータの相互作用が強力に保証され、いくつかの医療問題を解決するための新たな方向性がもたらされます。

簡単に言えば、ブレイン・コンピュータ・インターフェースは、人間の脳と外部機器を接続し、神経信号をセンサーで収集して電気信号などに変換したり、脳が考えたり試みたりしたアイデアをテキストなどの形で電子機器から出力したりすることで、脳と機械の間での情報交換を実現します。脳コンピューターインターフェースには、侵襲型と非侵襲型の 2 種類があります。侵襲的とは、患者が開頭手術を受け、頭蓋骨の下の大脳皮質に電極センサーを埋め込み、頭蓋骨が情報変換のインターフェースとして機能することを意味します。非侵襲的な方法は、患者の頭蓋骨または頭皮の外側にセンサーを取り付け、刺激を通じて電気信号を捕捉し、化学センサー信号を分析することで、脳とコンピューター間の情報伝達を実現する。

脳コンピューターインターフェースは、人間の脳と外部の機械装置との間で高スループットの情報交換を可能にします。神経生理学者と化学者は 50 年以上にわたり、化学研究の分野で一般的に使用されているさまざまな電極やセンサー材料を使用して脳の活動を研究してきました。ここで、脳コンピューターインターフェース技術におけるいくつかの化学物質の応用について簡単にまとめ、なぜこの分野で注目されているのかを分析してみましょう。

カーボンナノマテリアル

炭素ナノ材料は、ゼロ次元炭素材料のフラーレンやナノダイヤモンド、一次元炭素材料のカーボンナノチューブ、二次元材料のグラフェンに分けられます。これらの材料が脳コンピューターインターフェースに適用される主な理由は、炭素材料が生体適合性があり、無毒であり、優れた電荷注入能力と高い導電性を提供し、高スループットの電極インターフェースを可能にして信号記録品質と刺激効率を向上させるためです。カーボンナノフレームは軽量、多孔性、柔軟性、導電性、安定性に優れているため、神経組織工学に有用なツールとなり、電極の柔軟性を高めることができます。メルボルン大学の研究チームは、脳神経刺激、高品質の神経信号記録、神経伝達物質検出用のセンサーとして、化学的に修飾されたナノダイヤモンドを炭素繊維マイクロ電極上に選択的に堆積させた。

ハイドロゲル

ハイドロゲルは、独特の三次元親水性ネットワーク構造を持つ、柔らかく湿潤な典型的な素材であり、人体組織に優しいです。ハイドロゲルは、そのユニークな機械的特性、生体適合性、イオン伝導性、構造設計可能性のため、広く研究され、使用されてきました。ハイドロゲルは、さまざまな無機ナノ材料に優れたキャリアを提供することができ、より優れた性能を持つ複合材料を構築することができます。優れた導電性、伸縮性、刺激応答性、高靭性を備えたハイドロゲルは、ウェアラブルセンサー、脳コンピューターインターフェース電極などに使用できます。脳コンピューターインターフェースは、EEG 信号を収集して分析することにより、脳の活動や精神状態など、豊富なリアルタイムの脳情報へのアクセスを提供します。天津大学の王衛衛氏の研究チームは、エラストマー・ハイドロゲル複合材料をベースにした柔軟な電極の開発に成功し、EEG信号を効率的に検出し、脳コンピューターインターフェースの研究に使用できるようになった。

有機電気化学トランジスタ

有機電気化学トランジスタは、優れたイオン伝導特性と電子伝導特性を持つ半導体材料です。イオンと電子の相互作用により、生物学と電子工学の間のインタラクティブなインターフェースとして機能します。電気化学反応によって生成される電子と正孔の濃度変化を直接感知できるため、高感度な信号検出を実現します。これにより、脳コンピューターインターフェースシステムを構築するための実行可能なオプションになります。復旦大学の彭慧生氏のチームは、カーボンナノチューブ繊維と有機半導体材料を組み合わせて、生体内の化学物質の微量変化を安定的に検出し、優れた生体適合性と安定性を示す、柔軟で移植可能な繊維状有機電気化学トランジスタを作製しました。この装置は、生体電子化学反応信号の優れた捕捉能力により、ヒトの過酸化水素、グルコース、ドーパミン、グルタミン酸などを検出でき、高い感度と安定性を示します。脳の免疫蛍光実験では、この装置による炎症反応は見られず、安全性も良好であることが示されました。

脳コンピューターインターフェースは画期的な研究意義を持つ科学技術ですが、研究上のリスクは依然として深刻に受け止める必要があり、その安全性とデバイスの安定性は時間をかけて検証される必要があります。現在、我が国のこの分野における研究は国際的な実践と積極的に融合する必要があり、将来的には幅広い研究の余地があるでしょう。

（モ・ズンリは西北師範大学の教授兼博士課程の指導者であり、呂文波は西北師範大学の修士課程の学生である）