ハーバード大学のチームは、2,000個のラットのニューロン間の70,000個のシナプス結合をマッピングするCMOSチップを開発した。

ハーバード大学の研究者たちは、4,096個のマイクロホール電極アレイを集積した相補型金属酸化膜半導体（CMOS）チップを開発し、複数の神経細胞間の電気活動を記録できるようにしました。Nature誌によると、このチップにより、研究チームは2,000個のラットのニューロンをプロットし、それらの間の7万以上の接続をマッピングすることができました。チップは各接続間の信号強度を測定し、それらに送られる信号の種類を特徴付けることができました。

これは神経細胞研究における大きな進歩であり、科学者は脳内の神経接続のあらゆる細部を正確にマッピングできるようになります。現在、電子顕微鏡はこれらのシナプス接続を可視化することはできますが、そこを通過する信号を測定・記録することはできません。別の技術であるパッチクランプ電極を用いることで、研究者は極めて微弱な神経信号でさえも正確に記録することができます。しかし、この技術は少数の細胞しか測定できないため、多数のニューロンを研究する上での有効性は限られています。

この新しいCMOSチップにより、研究者は比較的多数のニューロンがどのように相互作用するかを研究することができ、ニューロンの活動が思考や学習といった複雑な精神プロセスにどのようにつながるかを理解することができます。研究者によると、それぞれのマイクロホールはパッチクランプ電極のようなもので、1つのチップ内に4,000個以上のマイクロホールアレイを追加することで、数千個のニューロンを効果的にモニタリングすることが可能になりました。

「マイクロホール電極は、垂直ナノニードル電極よりもニューロン内部との結合性に優れているだけでなく、製造もはるかに容易です」と、研究チームの研究の基盤となった2020年に開発された旧技術に言及し、ジュン・ワン研究員は述べた。「このアクセスしやすさは、私たちの研究のもう一つの重要な特徴です。」

研究チームは、4,096個の微小孔を用いて3,600個以上のラットのニューロンをモニタリングすることに成功しました。これはほぼ90%の成功率です。これにより、研究チームは7万個以上の接続を記録することができました。これは、これまでの記録である300個の200倍以上です。こうした進歩にもかかわらず、平均860億個のニューロンを持つ人間の脳のマッピングには、まだ程遠い道のりです。各ニューロンが平均35個の接続を持つと仮定すると、私たちの脳には少なくとも30億1000万個のシナプス接続があることになります。

わずか2,000個の神経細胞であっても、これはすでに膨大な情報量です。「超並列細胞内記録に成功した後、最大の課題の一つは、膨大な量のデータをどのように分析するかでした」と、研究者のドンヒー・ハム氏は述べています。「それ以来、シナプス結合に関する知見を得るまでに長い道のりを歩んできました。現在は、生きた脳に導入できる新しい設計の開発に取り組んでいます。」

チームがこの研究に成功し、生きた脳における各神経接続の仕組みをマッピングできれば、様々な技術革新に活用できる可能性があります。例えば、AIのトレーニングや、より効率的なAIチップの開発に応用でき、ギガワット単位の電力を必要とせずに膨大な計算能力を実現できるようになります。また、メンタルヘルス研究にも活用でき、科学者はシナプス接続がどのように発火（あるいは失火）するかを理解し、それが心の知覚にどのような影響を与えるかを観察できるようになります。