ファイバーで
脳の谜を解き明かす
好奇心が、すべての原动力です。
现在、多机能ファイバーに焦点を当てた研究を行われています。
これらのファイバーでどのようなことができるのか、教えていただけますか。
脳が実际にどのように机能しているかを理解するためには、その活动を非常に高い精度で探るツールが必要です。私は研究室を立ち上げた当初、博士课程における研究で开発した多机能ファイバーをさらに进化させたいと考えていました。
これらのファイバーは、革新的な方法で脳と相互作用するように设计されています。光で神経细胞を刺激したり、电気信号を记録したり、微细な流体チャネルを通じて薬剤を投与して神経细胞の挙动に影响を与えたりすることができます。
その后、私たちはその机能を拡张してきました。このファイバーは现在、磁気刺激やプラズマ刺激、さらには组织内で微妙に动くことを可能にする机械的な作动さえも行うことができます。それぞれの机能は、脳の复雑なコミュニケーションシステムへの新しい窓を提供してくれます。
まさに究极のインターフェースのようです。
この技术でどんなことを目指していますか。
私たちは、脳とできるだけ自然に、そして正确に相互作用できるツールを作りたいのです。脳は、电気信号、化学信号、机械信号などの多次元的な信号を同时に使ってコミュニケーションを取っています。私たちの目标は、これらの异なる种类のコミュニケーションをリアルタイムで计测し、モジュレーションできるファイバーを设计することです。
そうすることで、脳机能をより深く理解でき、神経疾患や精神疾患の治疗に役立つ技术に贡献したいと考えています。最终的な目标は、私たちの脳をはじめとする生体システムとシームレスに统合できるファイバー技术を作り出すことで、脳がどのように机能しているかについて、より深い理解を可能にすることです。
この技术は脳以外にも
応用できるということでしょうか。
はい、现在はファイバーを布地に织り込むことで、ウェアラブルな応用も模索しています。これらの「スマートファイバー?テキスタイル」は、汗や筋肉活动などの生体信号を分析できます。身体と脳の両方からのデータを研究することで、脳と身体の相互作用、例えば、私たちの身体状态が精神状态にどのように影响するか、またその逆についても理解し始めることにつながります。
私たちは、脳そのものに限定せず、その外侧、つまり生体システム全体に目を向けることで、人间の生理机能のより完全な全体像が得られると信じています。
ファイバーに関する研究の道のりは
どのように始まったのですか。
博士课程から始まりました。神経细胞を研究しているその活动を记録するためのファイバーを开発していたときのことです。私たちは、不安や精神障害に関连する神経活动の挙动を调べていました。その间、アストロサイトという别の种类の细胞を不安症などの精神疾患に関わる神経活动をモジュレーションしているかもしれないことを発见しました。
アストロサイトは神経细胞のような电気的活动を持たないため、これらはしばしば脳の「糊（のり）」と呼ばれ、长らく见过ごされていました。しかし、カルシウムインジケーターなどの新しいイメージングツールによって、アストロサイトと神経细胞を相互作用しており、精神障害において重要な役割を果たす可能性があることが明らかになってきています。
この発见により、このような复雑な细胞间の相互作用を详しく研究するためには、より优れたツール、つまり、神経细胞やアストロサイトなどの脳内の多种多様な细胞における电気?化学?光などの多次元的な信号を包括的に计测?操作するツールが必要であることに気づきました。その気づきが私を神経工学技术开発へと立ち戻らせるきっかけとなりました。
アストロサイトの研究が
新しい技术开発への移行を促したのですね。
その通りです。アストロサイトを最初に研究したとき、私は光遗伝学のツールを使ってアストロサイト活动を操作しました。しかし、これらは元々神経细胞に向けに设计されており、アストロサイトは同じようには电気的な活动をしません。电気信号を発火させないのです。
このことから、私たちはどこかから応用されたものではなく、生物学そのもののために设计された技术が必要だと考えるようになりました。それが、新たな多机能ファイバーの开発を始めたきっかけです。つまり、自然な脳のコミュニケーションをそのままに読み出すツールを开発したいです。
Image courtesy of Tohoku University and Studio Xxingham
Image courtesy of Tohoku University and Studio Xxingham
学际科学フロンティア研究所（贵搁滨厂）は学际的な环境で知られています。
ファイバー研究にも影响を与えましたか。
贵搁滨厂で8年间过ごしましたが、创造性を発挥する素晴らしい环境であると断言できます。贵搁滨厂は、エンジニアリング、材料科学、生物学、物理学の研究者を结集させています。このような学际的な环境は、オープンマインドで尽きることのない好奇心を生み出します。异分野の先生方との共同研究に直接つながらなかったとしても、廊下でのちょっとした会话が新しいアイデアを生むことがあります。
素晴らしい例の一つが、磁気刺激を可能にするファイバー上のマイクロコイルです。それは「ファイバーの内部にマイクロスパイラルパターンを作ることができるだろうか？」という基本的な疑問から始まりました。マイクロスパイラルパターンの形成に成功すると、それらが磁気コイルとして機能することに気づきました。その後、神経培養細胞を研究しているFRISの同僚と共同研究を行い、初期ではありますが、非常に面白い結果が得られました。このプロジェクトは昨年始まったばかりです。現在はin vivo（生体内）研究の準備を進め、長期的な研究を継続できるように予算申請も行っています。
マイクロコイルファイバーは非常に魅力的ですね。
次の展开はどうなるでしょうか。
とてもワクワクしています。それらは科学的にも美的にも印象的な复雑な构造です。この技术は特许を取得しており、すでにいくつかの公司が强い関心を示しています。
さらに、私たちは冲縄科学技术大学院大学（翱滨厂罢）の研究者と协力し、タコの睡眠パターンに応用したいと思っています。私の共同研究者の一人が、タコが人间と同じように深い眠りと浅い眠りを経験することを発见しました。しかし、人间と异なり、タコの皮肤は睡眠の状态に応じて皮肤の色や模様が変わります。私たちのマイクロコイルが、この魅力的な行动を理解したり、さらにはモジュレーションしたりするのに役立つかどうかを确认したいと考えています。
研究におけるモチベーションの源は何ですか。
また、若い科学者へのアドバイスをお愿いします。
好奇心こそが、すべての原动力です。実験が失败したときでさえ、好奇心が私たちを学び続け、前进させてくれます。
若い研究者への私のアドバイスは、自分の情热を见つけ、决して諦めないことです。特に若く、オープンマインドでいられるうちに、挑戦し続けてください。年を重ねると、思考が固定化されてしまうことがあります。しかし、発见には柔软性と好奇心が必要です。それらがイノベーションの键です。
研究室の外では、どのようにリラックスして过ごされますか。
夏はサーフィンに行くのが好きで、冬はスキーやスノーボードを楽しんでいます。
写真：多机能ファイバーの束。
郭 媛元
郭媛元准教授は、脳の働きを明らかにするための最先端技術を開発しています。东北大学大学院医工学研究科の博士課程在籍中、マサチューセッツ工科大学（MIT）とバージニア工科大学に留学し、光ファイバーを製作する技術である熱延伸技術と出会い、脳とインターフェースするための柔軟な多機能ファイバーの創出に取り組み始めました。これらの髪の毛ほどの太さしかないファイバーは光学、電気、化学などの機能を統合しており、さらに、電界効果型半導体イメージングセンサーと組み合わせることで、新たな脳内多様な活動をセンシング?イメージングにするツールです。
FRISにおいては、郭准教授はin vitro（試験管内）、in vivo（生体内）、そしてウェアラブルな応用全体で、生体内?外と繋ぐ多機能ファイバーをさらに発展することに力を注いでいます。基礎神経科学のための多機能ファイバー神経プローブの開発に加え、臨床医と密接に連携し、これらの技術を実用的な医療ツールに転換する可能性も積極的に模索しています。また、多機能ファイバーをテキスタイルに統合し、人間の生体信号の非侵襲的にセンシングとモジュレーションを可能にすることも取り組んでいます。さらに、ミクロスケールにおいては、独自の微量な生体試料分析のために「Lab-in-Fiber」システムを含む、新しい多機能ファイバーの応用領域を開拓しています。これらの取り組みを通じて、多機能ファイバーを生体システムと複数の領域でインターフェースでき、バイオファイバートロニクスという新しい学際的分野の確立を目指しています。
Translation: Waka Kuchimachi
Romance
of
Research