生体内LFP磁場記録のための高度なTMRセンサー採用マグネトロード

火花に触れずに脳を聴く

私たちの脳は毎秒小さな電気的嵐でざわめいており、これらの嵐を読み取れるようになれば、思考だけで移動したり会話したりゲームをしたりできる将来の脳–コンピュータ・インターフェースの原動力になり得ます。本研究は、電位を直接測るのではなく、脳細胞が生み出す微弱な磁場を検出することで脳活動を傍受する新しい方法を紹介します。その検出器はマグネトロードと呼ばれる髪の毛ほど細い装置です。

新しいタイプの微小脳プローブ

研究者らは、もともと高性能磁気センサー向けに開発されたトンネル磁気抵抗（TMR）技術を基にした微小プローブを作製しました。デバイスの能動端子は数十マイクロメートルしかなく、脳に埋め込んでも損傷を最小限に抑えられる大きさです。このマグネトロードは従来の電極のように電圧を記録するのではなく、近傍のニューロン集団が同時に発火したときに生じる微弱な磁場に反応します。これらの総合的な信号は局所場電位と呼ばれ、運動や記憶、疾患時に脳細胞ネットワークがどのように協調するかを反映します。研究チームは、センサー要素の形状と相互接続を慎重に設計して感度を保ちながら望ましくない磁気の遅れを抑え、遅い変動と速い変動の両方に追従できるようにしました。

極めて微弱な脳信号を視る

ニューロンからの磁場は非常に弱いため、センサー側の雑音が十分に小さくなければ信号を識別できません。著者らは、周波数や電流駆動条件を変えてデバイスがどれだけランダムな変動を生じるかを測定しました。その結果、多くの脳リズムが存在する範囲では低周波の「1/fノイズ」が支配的であることがわかりました。駆動用のバイアス電流を下げ、定常駆動から高周波の交流駆動に切り替えることで、この問題となるノイズを大幅に抑えられることを示しました。得られた検出限界は、1Hzで数ナノテスラ、より高い周波数ではさらに小さく、従来の埋め込み型磁気プローブや埋め込み不可能な大型の磁場計器と比べても好ましい結果でした。

人工信号と実際の脳信号でのテスト

プローブが局所場電位を忠実に追跡できるかを確認するため、まず研究室で制御されたテストを行いました。細い銅線を特殊な神経信号発生器で駆動し、小集団のニューロンの協調電流を模擬しました。マグネトロードは遮蔽容器内でこの銅線の近くに配置され、出力は増幅・フィルタリングされてから数学的に再構築されました。処理後の磁気信号は参照となる局所場電位パターンとよく一致し、センサーと電子回路がこれらの遅い脳リズムの形状とタイミングを回復できることを示しました。

生きた脳内での傍受

最も重要なテストは生体ラットで行われました。研究者らはマグネトロードと標準的なマイクロ電極を海馬内に優しく埋め込み、両者の間隔は0.1ミリメートル未満にしました。海馬は記憶に関わる深部脳領域です。両方のデバイスがほぼ同じニューロンクラスターをサンプリングしたため、電気信号と磁気信号を直接比較できました。数百秒の区間を通して、チームは両信号の異なる周波数帯域の強さを解析しました。磁気スペクトルと電気スペクトルは主要な脳リズム、特にシータ帯とベータ帯でともに増減し、類似性の統計的指標は高く安定していました。対照として、埋め込む前にマグネトロードが背景雑音しか拾っていなかった場合の記録は電気信号との一致が大きく劣り、生体内で得られた磁気痕跡が真に神経活動を反映していることを裏付けました。

脳内環境を生き延びるように作られている

どんなインプラントも温かく塩分を含む脳脊髄液中で安定している必要があります。耐久性を試すため、マグネトロードを体温の人工脳脊髄液に一週間浸しました。チームは繰り返しテスト磁場に対する応答の強さと抵抗値の変化を測定しました。感度と信号強度は数パーセント未満しか変動せず、センサー周囲の保護層が腐食を効果的に防ぎ、実験に必要な時間スケールで信頼できる計測が可能であることを示唆しました。

将来の脳インターフェースにとっての意味

この研究は、超小型の埋め込み磁気センサーが標準的な電極が検出するのと同じ脳リズムを追跡できる一方で、磁場が組織をより損なわずに透過する利点を活かせることを示しています。一般読者向けに言えば、脳活動は電荷に触れて監視するだけでなく、その磁気の反響を感じ取ることでも監視できる、ということです。ここで開発されたマグネトロードはコンパクトで感度が高く、安定性も十分で、新しいタイプの脳の傍受装置として、脳–コンピュータ・インターフェースのツールや異常な神経リズムに関連する疾患研究を豊かにする可能性があります。

引用: Wang, Y., Luo, J., Zhang, C. et al. An advanced TMR sensor-based magnetrode for in vivo LFP magnetic field recording. Microsyst Nanoeng 12, 177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01262-9

キーワード: 脳磁気記録, 局所場電位, トンネル磁気抵抗, ニューロナルインターフェース, 脳–コンピュータ・インターフェース