Low-cost monophasic transcranial magnetic stimulator

人間の脳は電気信号の広大なネットワークであり、数十年にわたり、科学者たちは精神の仕組みを理解したり、うつ病などの疾患を治療したりするために、頭蓋の外からこれらの信号を穏やかに刺激する方法を模索してきました。これを行うための強力な手法の一つが、経頭蓋磁気刺激法（TMS）と呼ばれるものです。これは、頭蓋骨に触れることなく通過する、短時間で強烈な磁場を作り出すことで機能します。この磁場は、その下にある脳組織に微小な電流を誘導し、それによって特定のニューロンの集団を活性化させたり、あるいは鎮めたりすることができます。この技術は研究の標準的なツールとなり、特定の医学的条件に対して承認された療法となっていますが、これらの磁気パルスを生成する装置は通常、巨大で複雑であり、数万ドルという法外な費用がかかることが一般的です。この高い価格設定により、新しい脳刺激方法を実験したいと考えている大学の教育ラボや、小規模な研究グループ、あるいは独立した科学者にとって、この技術は手の届かないものとなっています。

マギル大学の研究チームは、通常よりもはるかに低いコストでこの装置の動作バージョンを構築することで、この状況を変えようとしています。彼らは、専門的な研究で使用されるものと同じタイプの磁気パルスを送り出すことができる装置を作成しましたが、それは誰でも基本的な電子工作のスキルがあれば購入できる、一般的な市販の部品を用いて構築されました。専用のコイルを含めた装置全体は、約700ドルで製作されました。研究者たちは単に部品を組み立てただけではありません。彼らは、デバイスが人間の脳細胞を活性化させるのに十分な強さの磁場を生成できることを確認するために、デバイスを厳格にテストしました。彼らの研究は、適切な技術的知識と重大な安全リスクに対する敬意があれば、高出力の脳刺激には数百万ドルのラボ予算は必要ないということを証明しています。

この新しいデバイスの核となるのは、単純ながらも強力な概念、すなわち、大量の電気エネルギーを蓄え、それをワイヤーのコイルを通じて一度に放出するというものです。研究者たちは、バッテリーが水を蓄えるように電荷を保持するコンポーネントであるキャパシタ（コンデンサ）のバンクを使用しました。彼らは、標準的な24ボルトの電源と特殊なトランスを用いて、これらのキャパシタを約1,460ボルトという非常に高い電圧まで充電しました。キャパシタが満タンになると、チームはサイリスタと呼ばれるスイッチを作動させ、蓄えられたエネルギーを一瞬で放出しました。この突然の電流の急増が、図形のような「8の字型」にカスタム設計されたコイルを通り、急速な磁場の変化を生み出します。この特定の形状とパルスの速度は、磁場が脳とどのように相互作用するかを決定するため、極めて重要です。結果として生じたパルスは約90マイクロ秒間持続しましたが、これは研究者がニューロンを刺激するのに効果的であると計算した持続時間です。

デバイスが取り扱いに失敗すると致命的となるほどのエネルギーを蓄えているため、安全性は設計における主要な懸念事項でした。チームは、偶発的な感電や制御不能な放電を防ぐために、複数の保護層を構築しました。マシンは透明なプラスチック製の箱に収められており、オペレーターは動作中に内部を見ることができます。また、高電圧コンポーネントは、物理的および電気的な障壁によって制御用電子回路から分離されています。マシンが安全でない限り起動できないようにするため、箱が開けられた場合や、安全スイッチを保持する二人目の人物がいない場合に電源を遮断するインターロックを設置しました。さらに、金属製のフックが付いた長い絶縁された棒も用意されており、これによりオペレーターは、箱を開けることなく、安全な距離からキャパシタに残っているエネルギーを手動で排出することができます。これらの措置は、パルスが発射される短い瞬間に5,000アンペアを超えることもある電圧や電流に伴うリスクを軽減するために設計されました。

この自作マシンが実際に機能することを証明するために、研究者たちは高価な商用センサーに頼ることなく、生成された磁場を測定する必要がありました。彼らは小さくシンプルなセンサーコイルを製作し、メインの刺激コイルの下のさまざまな位置に移動させて、磁場をマッピングしました。センサー内の電圧の変化を分析することで、彼らは磁場の変化速度を算出しました。これは、刺激が脳内でどの程度強力になるかを決定する鍵となる要素です。彼らの測定結果によれば、最大出力時において、デバイスは約111アンペア毎マイクロ秒の磁場変化率を生み出しました。このデータを人間の頭部のコンピュータシミュレーションに入力したところ、その結果、デバイスは運動ニューロンを活性化させるために必要な平均的な閾値を超える電気場を脳内に生成できることが示されました。具体的には、シミュレーションでは、後頭部で159ボ volts/m、側頭部で196 volts/mの電場を生成できることが示唆されており、これらはいずれも脳の反応を引き起こすために通常必要とされるレベルを大きく上回っています。

研究者たちは、自分たちの測定方法が正確であることを確認するために、自作デバイスの性能を商用機器のデータと比較しました。その結果、彼らの低コストな磁場測定アプローチは非常に信頼性が高く、その結果は商用機器が報告した値と誤差の範囲内で一致していることがわかりました。この検証により、彼らの自作デバイスが意図した通りに動作しているという自信が得られました。しかし、著者らは、これが臨床用の医療機器ではなく、あくまで研究用プロトタイプであることを慎重に注記しています。彼らは、このマシンは必要なエネルギーを生成できるものの、人間や動物に対してテストされておらず、治療に必要な臨床的検証も欠いていることを強調しています。このデバイスは、高電圧電子工学を理解し、厳格な安全プロトコルに従うことができる訓練を受けた研究者が使用することを目的としています。

このプロジェクトは、高度な神経科学ツールへのアクセスを民主化するための重要な一歩となります。機能的な高出力磁気刺激装置が、アクセシブルな部品を用いて数百ドルの価格で構築できることを示すことで、チームはより多くの科学者が脳刺激技術を実験できる道を開きました。彼らの研究は、この分野への参入障壁が単に物理学の複雑さにあるのではなく、主に機器のコストにあることを証明しています。このデバイスはまだ臨床使用には適していませんが、研究者が異なるパルス形状やコイル設計が脳にどのような影響を与えるかを研究するための、強力かつ低コストなプラットフォームを提供しています。この製作の成功は、細心の注意を払ったエンジニアリングと安全性へのコミットメントがあれば、現代の神経科学のツールがより幅広い科学者コミュニティの手の届く範囲に持ち込めることを示唆しています。