人間の神経記録用の高密度微小電極

人間の脳活動をさまざまなスケールで記録することは、臨床医学における重要なツールです。 「単一単位活動」(SUA) としても知られる細胞外活動電位を記録する能力により、ヒトだけでなくさまざまな非ヒト動物の神経機能の詳細についての基本的な洞察が得られました。 人間の場合、細胞外活動電位を記録する技術は比較的限られています。 数社が製造する硬質で先端が鋭いプローブは FDA の承認を受けており、神経活動領域の特定や臨床電極の配置の最適化を目的とした脳深部刺激 (DBS) 装置の移植など、さまざまな外科手術の際の標準治療の一環として日常的に使用されています。 同じ技術は、人間の脳機能と病気によるその機能障害をより深く理解するために使用されています。 さらに、さまざまな半慢性的に埋め込まれるマイクロワイヤ技術が利用可能である。 これらの電極は、発作障害のある患者によく使用されており、側頭葉内側や前頭葉内側などのネットワークの挙動を洞察できるようになりました。

しかし、動物研究で使用される最新の電極の記録能力と、現在臨床で人間の検査に利用できる記録能力との間には、依然として大きなギャップが存在します。 現在臨床で使用されている典型的な硬質シャフトの単一電極は、一度に 1 ～ 3 個の明確に分離されたニューロンを記録します。 対照的に、最先端の動物研究では、ニューロピクセル電極 [4-6] などの高密度プローブにより、単一の脳領域内の数百、さらには数千のニューロンの記録が日常的に可能になっています。 この記録能力の大幅な向上は、脳のニューロンとネットワークがどのように相互作用して複雑な行動や疾患を生み出すのかについての理解を深めることに直接つながります。 一般的に使用される高密度電極のほとんどは、複数の記録接点 (通常は白金、イリジウム、金、または導電性ポリマーで作られる) が埋め込まれた硬質シリコン シャフトをベースとしています。 シリコンベースのプローブを大脳、特に人間の用途に応用するには、いくつかの重大な制限があります [7] まず、シリコンは壊れやすいため、電極が破損しやすく、人間の用途には危険です。 さらに、シリコン微細加工プロセスは大型デバイスの製造には非実用的であり、市販のプローブ長は約 20mm に制限されており、人間の脳のほとんどの臨床用途には短すぎます。 また、現在入手可能な製品の電極接点とプリアンプ間の接続には、電極に取り付けられた剛性の回路基板が必要ですが、これは作業が難しく、プリアンプを非常に近づける必要があります。脳。 FDA 承認バージョンのシリコン プローブ (ブレイン マシン インターフェイスに使用されるユタ アレイ) もありますが、これらの用途は、表面皮質記録に使用される長さ 2 mm 未満の短いプローブに限定されます。 前述した固有の材料およびプロセスの制限により、シリコンベースのプローブ技術が人間の脳のより深い位置に対して臨床的に使用可能なプローブを提供する可能性は低くなります。 したがって、研究者らは、新しい種類の翻訳可能な技術を臨床用途に利用することを模索しました。

研究者らは、人間の脳内の多数の単一ニューロンを記録するための、より堅牢で信頼性の高い技術をテストしようとしています。 Diagnostic Biochips Inc. (メリーランド州グレン バーニー) は、ステンレス鋼のシャフトと、このシャフトに埋め込まれたポリイミド ベースの高密度電極のアレイで構成される新しいタイプの電極を開発した電極メーカーです。 このタイプの電極設計は、げっ歯類およびヒト以外の霊長類における長さ 8 cm までの脳深部への浸透に対して非常に信頼性が高いことが証明されています。 スチールキャリアは非常に堅牢で、シリコンベースやその他の高密度プローブ設計に伴う破損の問題を完全に回避します。 同様に、ポリイミドベースの電極は生体毒性がないことがよく知られている材料であり、耐性が高く、現在 FDA が承認している多数の製品の一部となっています。 DBC ディープ アレイ電極は、シャフトの他端に取り付けられた Intan (カリフォルニア州ロサンゼルス) マイクロプロセッサに直接配線されています。 このマイクロプロセッサはデジタル信号を生成するため、マイクロプロセッサとデータの記録に使用されるインタンアンプユニットの間の長い接続を、信号の損失やノイズの追加なしに利用できます。 この機能は、患者の安全性を向上させ、記録中の感染リスクを軽減するために非常に重要です。 スチールは剛性が高く、シリコンのように壊れにくいです。 さらに、このタイプの電極は、高密度ポリイミド アレイを取り付けるために長いステンレス鋼シャフトを使用するだけで、大幅に長くすることができます。 動物研究で使用されている現在製造されている DBC ディープ アレイの長さは 40 ～ 80 mm ですが、最大 300 mm までの長さも容易に実現可能です。 これは、シリコンベースおよび他の高密度システムで達成可能な最大長 10 ～ 20 mm とは対照的です。 人間の脳の大脳基底核などの深部脳構造を探査するには、100mmを超える長さが必要であり、これは臨床現場で日常的に行われています。 DBC 電極は、最大 1024 個の個別チャンネルを同時に記録できます。 DBC デバイスは、ヒト以外の霊長類での使用に成功しており、ヒトでの使用に期待される生体適合性、細胞毒性、滅菌、および安全性のテストを受けています。 これらのテストの結果はすべて合格であり、結果のレポートがこのプロトコルに添付されています。