【生体医用工学】ニューロンの働きをシリコンチップに再現する
Nature Communications
Biomedical engineering: Neuron on a chip
生体ニューロンの電気的挙動を再現するシリコンチップの製造方法を示した論文が、今週掲載される。この研究アプローチは、病気によって諸機能の調節ができなくなった場合に神経系の生体回路を修復するバイオニックチップの開発にもたらす可能性がある。
今回、Alain Nogaretたちの研究グループは、イオンチャネルをモデル化した微小回路を設計した。この回路には未処理の神経刺激が集積されており、生体ニューロンと同じように応答する。そして、個々の海馬ニューロンと呼吸ニューロンの活動がシリコンチップに再現された。Nogaretたちは、60種の電気刺激プロトコルにおいて、今回開発されたソリッドステートのニューロンが、生体ニューロンとほぼ同じ電気的応答を生み出すことを見いだした。
Nogaretたちは、今回の研究でモデル化されたような呼吸ニューロンが、呼吸リズムと心拍リズムを同調させ、呼吸性洞性不整脈の原因となることを指摘している。そして、この同調が加齢や疾患によって失われることは、睡眠時無呼吸と心不全の予後である。Nogaretたちは、呼吸ニューロンと同じようにバイオフィードバックに適応するデバイスが将来的に治療法となる可能性があると考えている。
A method to produce silicon chips that reproduce the electrical behaviour of biological neurons is presented in Nature Communications this week. The approach could lead to the development of bionic chips to repair biological circuits in the nervous system when regulation of functions is lost as a result of disease.
Alain Nogaret and colleagues designed microcircuits modelling ion channels that integrate raw nervous stimuli and respond in a similar way to biological neurons. The authors then recreated the activity of individual hippocampal and respiratory neurons in silicon chips. In a series of 60 electrical stimulation protocols, they found that the solid-state neurons produced nearly identical electrical responses when compared to biological neurons.
The authors note that respiratory neurons, such as those they have modelled, couple respiratory and cardiac rhythms and are responsible for respiratory sinus arrhythmia. Loss of this coupling through age or disease is a prognosis for sleep apnoea and heart failure. They suggest that a device that adapts biofeedback in the same way as respiratory neurons may offer a potential therapy in the future.
doi: 10.1038/s41467-019-13177-3
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