脳の特定部位に光照射可能な光遺伝学用デバイス、豊橋科技大などが開発

豊橋技術科学大学(豊橋技科大)、獨協医科大学、沖縄科学技術大学院大学(OIST)、科学技術振興機構(JST)の4者は3月18日、脳を直接覆うように柔軟に取り付けができ、多点に配置したマイクロLEDで脳の特定部位を狙って光を照射できる光遺伝学用のフレキシブルフィルムを開発したと発表した。

同成果は、豊橋技科大電気・電子情報工学系の関口寛人准教授、獨協医科大先端医科学統合研究施設の大川宜昭准教授、OIST 知覚と行動の神経科学ユニットの福永泉美准教授らの研究チームによるもの。詳細は、応用物理学を扱う学術誌「Applied Physics Express」に掲載された。

特定の色の光に反応する光感受性タンパク質を神経細胞に発現させることで神経活動を光で制御する「光遺伝学」的手法は、時間分解能が高く、脳機能の研究においても活用されているが、現在、神経細胞が作る複雑な脳の神経ネットワークの包括的な理解を目的とした、脳の広範囲に分布する特定の神経細胞の部位を自在に制御できる光刺激技術が求められるようになっているという。しかし、従来の光ファイバや顕微鏡を用いた方法では特定の部位や複数の部位を同時に光照射することは難しく、また、自由行動中の動物への利用も限られるという課題があったという。

そうした課題解決の1つの手法として考えられているのが、生体にLEDデバイスを埋め込むという手法だという。しかし、市販されているLEDのサイズは、小さいものでも200μmほどで、厚さも数十μm～100μmと厚いため、脳の広範囲を覆うことができず、部位上の特異的な神経細胞を光刺激できるデバイスとしては不向きとされていたという。

そこで研究チームは今回、薄くて軽くて曲げることができるフレキシブルフィルムの活用を目指し、その上にサイズが100μm以下で厚さも数μmという、小型かつ極微薄のマイクロLEDの多点配置を試みることにしたという。

フレキシブルマイクロLEDフィルム作製技術。(上)マイクロLED中空構造の形成技術。(下)マイクロLEDアレイ一括転写技術 (出所:豊橋技科大プレスリリースPDF)

実現手法としては、水酸化カリウム溶液による異方性ウェットエッチング法を採用することで、LED層下部を選択的に除去し、高密度に配置されたマイクロLED中空構造を形成。そして、この中空構造の形成によりLED層が基板から分離され、かつ熱剥離シートで一括してLED層のみを剥離することで、マイクロLEDおよび生体適合フィルムであるパリレンフィルムのどちらも損傷することなく、フィルム上にマイクロLEDを配列させることに成功したとする。

(左)開発されたマイクロLEDアレイ中空構造。(右)マイクロLEDアレイ極薄フィルムの発光像 (出所:豊橋技科大プレスリリースPDF)

実証実験より、このマイクロLEDフィルムは曲げても光照射特性が劣化することなく、実際にマウスの脳表面に密着して光遺伝学実験に利用可能な明るい青色発光を得られることが確認されたという。

マウス脳に密着させたマイクロLEDアレイ極薄フィルム。3点の狙ったLEDを点灯させた光照射の様子 (出所:豊橋技科大プレスリリースPDF)

研究チームでは今後、計測技術と組み合わせることで、因果関係に裏打ちされた脳活動と行動や疾患との包括的な理解を目指す、新しい神経科学研究の開拓への適用が期待されるとしているほか、光感受性の生体内機能分子の開発が進展することで、光照射により、薬剤を狙った部位で好きなタイミングに効かせることができる、生体埋め込みデバイスによる光治療技術への応用も期待できるようになるともしている。