光ビームが聴覚障害者(スナネズミ)を聞こえるようにする?

たまたま目についたので訳してみました。例によって適当訳なので内容の保証はしませんが、訳していても何のことだかよく分からない部分が多いので、専門家でないと分からないレベルの話だと思います。ちなみに、副題は「次世代人工内耳インプラントは、聴覚障害者が音楽を聴き、ノイズに対処することを可能にするかもしれない」となっています。

原文はこちらになります。筆者はシモン・メイキン(Simon Makin)さんというサイエンスライターの方です。

www.scientificamerican.com

重度の難聴を抱える世界中の50万人の人々は、耳にインプラントを装着することで、言葉を理解することが可能になっています。人工内耳として知られているこのインプラントは、神経科学による最も成功した技術の1つですが、聴力障害に対する部分的な矯正しか提供できません。人工内耳は、人々にモーツァルト交響曲を楽しませることができる、あるいは地元のクラブでの外部の喧騒の中で友人のゴシップのやりとりができるようなバイオニック機器ではありません。ドイツのゲッティンゲン大学の聴覚神経科学者トビアス・モーゼー(Tobias Moser)教授は、「レストランのような場所で、人工内耳装着者が会話を理解することは非常に難しいです」と語っている。「また、彼らはメロディーを認識できないことに苦しんでいます」。

人工内耳は、言葉の周波数を知覚するために最大で22チャンネルを持っています。モーゼー教授による新しい研究は、内耳の聴覚神経を正確に刺激するために光を使用することで、これらの制約を乗り越えられる可能性があります。モーゼー教授は、このアプローチが将来的に現行世代の人工内耳を改善し、聴覚障害者の騒音下での会話が理解できるようになることを望んでいます。

蝸牛は、音の周波数を分析する内耳にある渦巻き型の構造体です。そこを通ると話されている言葉に見られる多様な周波数に反応して、異なる場所で振動する膜があります。振動は近くの有毛細胞を活性化し、次に聴覚神経を刺激し、聴覚神経の上の周波数情報を脳に送ります。

感音性難聴は、有毛細胞の損失を伴っているため、人工内耳は、聴覚神経を直接電極で刺激することによってこのダメージを迂回するためのものです。しかし、電極からの電流は、電極から聴覚神経へと直接的な移動をしません。このため、小さなギャップを交差するときに拡散しやすくなり、隣接する電極が近すぎる位置にあると「クロストーク(混線)」の原因となります。その結果、人工内耳は、その設計において、このような干渉を避けるために電極の数が制限されており、また識別することのできる周波数の幅も制限されています。

最近、Science Translational Medicineに掲載された新しい研究では、電気を光で置き換える光遺伝学(optogenetics)という技術を使用しています。ハーバード・メディカル・スクールの耳造専門医ダニエル・リー(Daniel Lee)准教授(彼はこの研究には関わっていません)は、「人工内耳の平均的性能は過去10年間で向上してきたので、皆その次の段階について研究しています」と述べます。「光遺伝学は合理的な解決策です。なぜなら、[光]に焦点を当て、電気刺激ではできないような方法でこれをを集中させることができるからです」。光遺伝学は、動物研究で広く使われている研究手法であり、光感受性タンパク質(チャネルロドプシンまたはオプシン)を産生する遺伝子を神経に導入して、光で活性化することを可能にするものです。

モーゼー教授のグループは、出生からオプシンを発現するように設計されたげっ歯類を用いた研究を2014年に発表した。新しい研究では、ヒトが知覚する低周波を聞くことができるスナネズミを使用しています。研究者による遺伝子操作は成人のネズミであり、より高速なオプシン(アクチベーションの間に迅速に回復するもの)を使用して、音にある正確なタイミング情報を再現するシステム能力を向上させました。彼らは、モーゼー教授のグループは、出生からオプシンを発現するように設計されたげっ歯類を用いて、2014年に研究を発表した。新しい研究では、人間が知覚する低周波を聞くことができるスナネズミを使用しました。研究者の遺伝子操作は成人であり、より高速なオプシン(アクチベーションの間に迅速に回復するもの)を使用して、システム内の正確なタイミング情報を音に再現する能力を向上させました。彼らはオプシン遺伝子を聴覚ニューロンに運ぶウイルスをスナネズミの蝸牛に注射しました。その後、光ファイバーを使用して、正円窓(中耳と内耳の間の小さな開口部)の穴を通じて蝸牛に光を照射しました。その結果、スナネズミの聴覚脳幹に、音で誘発されたものと類似した反応が得られ、また数週間にわたって安定している状態でした。

システムをテストするために、研究チームはアラームを聞いたら障壁を飛ぶことでショックを避けるようスナネズミを訓練しました。彼らはまず、正常な聴覚の動物に光を使用した訓練を行い、光刺激が行動に影響を与えていることを示しました。その後、彼らは、光を使って訓練された動物は、音に反応して飛び跳ねたことを示しました。 モーゼー教授曰く「これはまったく同じだとは言えませんが、十分に似ていました」。最後に、彼らは化学物質でスナネズミの耳を聞こえなくし、もはや音に反応できない状態でも、音の代わりに光の刺激を利用することを学習し、ろう動物にいくつかの聴覚機能が回復していることを示しました。「これらは印象的な結果であり、ろう者の聴覚系に活動を回復させる信頼できる新しい手段を示しています」と、カリフォルニア大学アーバイン校の神経科学者ジョン・ミドルブルックス(John Middlebrooks)教授(彼はこの研究には関わっていません)は述べています。「相当な将来の研究努力があれば、人工内耳で達成されてきたことを越えて、さらに先に進められる可能性があります」。

この研究では、単一の光チャンネルのみを使用していたため、周波数分解能を測定できませんでした。次の重要な段階は、複数チャンネルの機器を開発することです。機器設計の選択肢には、光ファイバーから光を導くことを可能とするマイクロLEDアレイや「ウェーブガイド」技術があります。光ファイバーは多くの電力を消費し、扱いにくいサイズの機器へとつながります。 「LEDは優れているが、調光があるので、技術的な課題がある」とリー准教授は語っています。「より低い閾値を有するより多くのオプシンが利用可能になれば、状況は改善されると思います」。

このアプローチを人間に使用する前には、他のハードルも残っています。ウイルスで誘発された遺伝子操作は一般に人間にはまだ行われていませんが、挿入遺伝子はその意図された場所にとどまることから、耳(および目)は、いずれも免疫系により厳重に防御されておらず、解剖学的に分離されているため、これらの手法の良い候補となり得ます。これらの研究は、蝸牛が独立しており(骨の殻にカプセル化されているため)、アクセスが困難であるというそれ自身の課題を抱えています。研究チームは、遺伝子操作されたネズミのうち光に反応したのは半数以下であり、タンパク質を取り込んだ神経の3分の1未満であり、おそらく注射による損傷のために約4分の1の神経が失われたことを明らかにしています。明るい話題としては、蝸牛螺旋に沿った神経が、オプシンタンパク質を産生する遺伝子を発現させたことがあります。研究チームは、聴覚神経以外の細胞が遺伝子を取り込んだことを検出していません。研究者らは今年、私たちにとってより免疫系が似ている非ヒト霊長類で実験を開始し、装置間の性能を比較するのに有用な音声を使用する予定です。「これを医療機器に変換するのが快適であるかどうかは、おそらく約2年でわかります」とモーゼー教授は言います。「これまでのところはかなり見栄えが良いけれども、道のりはまだまだ遠いですね」。教授は、この技術の商業化のためにOptoGenTechという会社を立ち上げる予定です。

感想

この光を用いた人工内耳の研究はまだまだこれからのようですが、現行の人工内耳の電極がおそらくはこれ以上は増やせない理由が何となく分かったのは有益でした。遺伝子操作を伴うってなんだかちょっと怖いんですが、より滑らかかつ広範に音が入るようになるのであれば、研究する価値は十分にあると思いますし、iPS細胞による内耳の再生よりは可能性が高いのかなという気もします。

実用化されたら試してみたいですが、その頃には私はすでにおじいちゃんなんでしょうねえ…(苦笑)。