ユーリッヒ研究所のFrancesca Santoro氏が率いる多国籍グループが、人間の網膜を効果的に模倣したインテリジェント・バイオチップを開発した事を報告している。これはバイオエレクトロニクスの新たな可能性を切り開くものであり、研究者らは、この技術を用いて、身体や脳の機能不全を修正することを目指している。
網膜は目の奥にある神経組織の層で、視覚プロセスにおいて重要な役割を果たしている。この目の重要な部分は、光を電気信号に変換して脳に伝え、画像を見たり理解したりする役割を担っている。新しいバイオチップが再現するのはこのプロセスだ。
脳内にイメージを作り出す
「私たちの有機半導体は、光がどれだけ降り注いだかを認識します。同じようなことが私たちの目でも起こっています。個々の光受容体に当たる光の量が、最終的に脳内の画像を作り出すのです」と、RWTHアーヘン大学の神経電子インターフェース教授であり、イタリア技術研究所の客員研究員でもあるSantoro氏は説明した。
この新しいバイオチップの特筆すべき点は、完全に非毒性の有機成分で構成されており、柔軟性があり、イオン、つまり荷電原子や分子で動作することである。これにより、硬質で電子のみで動作する従来のシリコン製半導体コンポーネントよりも生物学的システムにはるかに良く人体に適合する。私たちの体細胞は、特定のプロセスを制御し、情報を交換するために特にイオンを使用すると研究者は説明する。しかし、この開発は、現時点では「概念実証」に過ぎないと彼女は強調している。
この研究をさらに一歩進めて、Santoro氏のグループは、バイオエレクトロニックチップが人間の組織、特に神経系細胞と通信するための代替方法を研究している。人工網膜の作成に利用したバイオポリマーは、神経細胞の三次元組織だけでなく、情報処理や記憶といった機能性も模倣できるため、この用途に特に適している。
臓器機能の補助
研究者たちは、別の可能な応用についても既に考えている。チップは、光照射によって使用されるポリマーの導電性が短期間および長期間にわたって変化するため、人工シナプスとしても機能する可能性がある。人間の脳機能のあらゆる側面を再現するコンピューター・プログラムを開発できるようになるかもしれない。研究者たちは現在、この新しいバイオチップを人工神経ネットワークのハードウェアとして使用する計画を持っている。
AIプログラムは現在も従来のプロセッサー上で動作しており、その構造的構成を変えることはできない。自己学習型ニューラルネットワークの動作コンセプトを模倣するために、高度なソフトウェアを使用しているだけなのだ。この信じられないほど非効率的な欠点は、バイオチップ対応の人工ニューロンによって解決される可能性がある。
またSantoro教授らは、バイオチップを使ってヒト細胞のコミュニケーション回路を積極的に操作し、さまざまな効果をもたらすことができる日が来るのではないかと期待している。例えば、義手や義足と関節の間のインターフェイスを作ったり、パーキンソン病やアルツハイマー病のような神経変性疾患で生じる情報の処理や伝達の不具合を直したりすることで、正常に機能しなくなった臓器を補助することをSantoro教授らは考えている。
論文
- Nature Communications: Azobenzene-based optoelectronic transistors for neurohybrid building blocks
参考文献
- Forschungszentrum Jülich: Development of a Retina-Like Biochip
- via EurekAlert!
研究の要旨
高度な光応答性マルチモーダルプラットフォームを実現するために光と物質の相互作用を利用することは、光電子シナプスデバイスのようなバイオインスパイアードシステムを設計するための新たな戦略である。しかし、既存の神経に触発された光電子デバイスは、ハイブリッド材料の複雑な加工に依存しており、生体適合性や低いヤング率など、生物学的インターフェースに必要な特徴を示さないことが多い。近年、有機光電気化学トランジスタ(OPECTs)が、共役高分子の特性を生かし、生体システムによりよく結合できるマルチモーダルデバイスへの道を開いた。ニューロハイブリッドOPECTは、典型的な可塑性駆動プロセスに類似させながら、ニューロンシステムと最適にインターフェースするように設計することができ、ニューロンとニューロモルフィック末端間のより洗練された統合アーキテクチャーを作り出すことができる。ここでは、革新的な光スイッチング可能なPEDOT:PSSを合成し、OPECTへの集積化に成功した。OPECTデバイスは、アゾベンゼンベースの有機ニューロハイブリッド構成ブロックを用いて網膜の構造を模倣し、視覚経路をエミュレートする能力を示した。さらに、このデバイスを光機能と電気機能で二重に動作させることで、光に依存した条件付けと消滅過程を実現し、短期および長期の可塑性といったシナプス神経機能を忠実に模倣した。
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