OpenDrive: An Open-Source Microdrive for Large-Scale Neurophysiology

人間の精神を理解するために、科学者たちはしばしば個々の脳細胞が発する電気的なささやきに耳を傾けます。数十年の間、この「聴く」という作業には繊細で手作業による工程が必要であり、研究者は細いワイヤーを一つずつ脳へと挿入し、わずか数個のニューロンの信号を捉えてきました。しかし、新しい世代のツールがこの状況を一変させました。これらは数百もの微小なセンサーを詰め込んだ、細長いプローブ（探針）であり、脳の深部から数千ものニューロンの活動を同時に記録することができます。この技術は、単に孤立した数個の声を聞くのではなく、脳が行っている「会話の全容」を聴き取るチャンスを提供します。しかし、これらの新しいプローブは非常に脆弱であり、標準的な実験室用機器では容易に提供できないレベルの精度を要求します。プローブは揺れることなく真っ直ぐ下に下ろされ、数時間、完全に静止していなければなりません。専用のツールなしでは、プローブや脳を損傷するリスクが高く、サルなどの大型動物においてこれらの強力なデバイスを使用することは依然として限定的です。

マサチューセッツ工科大学の研究チームは、この問題に対する解決策として「OpenDrive」と呼ばれるものを作り上げました。これは、大型動物の脳内へこれらの繊細なプローブを極めて安定して挿入するために特別に設計されたカスタムメイドの機械です。チームは、高い精度を持つだけでなく、誰でも構築・改良できるオープンなシステムを作り上げました。これは、修正が困難で高価な市販の機械とは対照的です。彼らの研究は、低コストでコミュニティによって構築されたデバイスが、現在販売されている高価なツールと同等の性能を発揮でき、ある面ではそれらよりも優れていることを証明しています。研究者たちは、設計図とソフトウェアを自由に共有することで、この革新的な技術の使用を妨げてきた経済的および技術的な障壁を取り除きたいと考えています。

OpenDriveシステムは、制御コンソールとマイクロドライブという2つの主要な部分で構成されています。コンソールは操作の「脳」として機能し、コンピュータ画面からのコマンドを受け取ってドライブへと送ります。ドライブは、プローブを物理的に昇降させる小型で軽量なモーターです。この設計をユニークにしているのは、そのシンプルさと安定性へのこだわりです。ドライブは、引き出しの滑らかなレールに似た、真っ直く金属製のレールを中心に構築されており、これによりプローブが完璧な直線を描いて移動することを強制します。この設計により、プーブが脳内に進入する際の揺れや回転を防いでいます。ドライブ全体の重量は約30グラム、つまり小さなリンゴほどの重さしかなく、これが記録中に動物の頭部を揺らすのを防ぐのに役立ちます。また、このシステムは複数のプローブを同時に保持できるように設計されており、研究者たちは一頭の動物の脳内に最大9本のプーブを同時に挿入することに成功しました。これにより、多くの異なる脳領域の活動を同時に聴き取ることが可能になります。

彼らの機械が機能することを証明するために、チームはOpenDriveを2つの人気のある市販品と比較する一連の厳格なテストにかけました。彼らは各機械の可動部にレーザーを取り付け、機械が下降する際にレーザー光がセンサー上のどこに落ちるかを観察しました。もし機械が揺れていれば、レーザーの点は大きく円を描いて踊るはずです。市販の機械は顕著な揺れを見せ、レーザーの点は大きくコースを外れていました。対照的に、OpenDriveはレーザーの点をほぼ完璧に静止させ、動きは3マイクロメートル未満でした。これは、新しい機械が市販の選択肢と比較して、横方向の揺れを95パーセント以上減少させたことを意味します。また、チームは特定の距離をどれほど正確に移動するかを測定しました。その結果、OpenDriveは最高の市販品と同等の精度を持ち、もう一方の製品よりもはるかに正確であり、その誤差は測定が困難なほど微小であることが分かりました。

ラボでのテストを超えて、研究者たちはアカゲザルの実実験においてOpenDriveを使用しました。彼らは視床や小脳のような深い構造、さらには脳の外層を含む脳の様々な部位にプローブを下ろすことに成功しました。これらのセッションにおいて、機械はプローブを数時間にわたって安定して保持し、信号が焦点から外れることなく、数千のニューロンの活動を記録することを可能にしました。また、システムにはソフトウェアも含まれており、研究者はプローブが脳内のどこにあるのかをリアルタイムで確認でき、プローブの経路を動物の脳の3Dマップ上に重ね合わせて表示することができます。この視覚的なガイドにより、科学者は自信を持って特定の標的を狙うことができます。

この研究の意義は、機械自体の性能にとどまりません。長年、この種の研究に必要なツールは高価で閉鎖的であり、研究所が部品を変更したり問題を修正したりしたい場合、メーカーを待つか、新たな高額ユニットを購入しなければなりませんでした。OpenDriveが異なるのは、そのすべてのパーツがオープンソースであることです。設計図、コード、そして指示書はすべて、誰でもダウンロード、構築、改良ができるよう公開されています。完全なシステムを構築するための総コストは約5,000ドルであり、同等の市販システムに必要とされる50,000ドルのほんの一部です。これらのツールをアクセシブルで修正可能なものにすることで、研究者たちは世界の科学コミュニ番に対し、ハードウェアそのものへの協力を呼びかけています。科学者がツールをオープンに共有し、改善できるとき、発見のスピードは加速し、より多くの研究所が最も高度なテクノロジーを用いて、複雑に働く脳の仕組みを探求できるようになると彼らは信じています。