薬の効果に伴う脳内化学物質の変化を追跡
ミニブタの前頭前皮質に埋め込んだ無線チップが、アルツハイマー病の治療に使われる薬剤ドネペジルの投与後、記憶に関わる化学物質の増加を捉えた。その後、信号は徐々に投与前の水準に戻り、薬剤に対する脳内の化学反応を連続的に観察できた。
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KAIST機械工学科の張京仁（チャン・ギョンイン）教授が率いたこの研究では、アセチルコリンセンサー、小型光源、無線測定用電子回路を組み合わせた。後から採取した試料を調べたり、行動の変化を主な指標として薬の作用を評価したりするのではなく、脳の特定領域で起きる変化をリアルタイムで追跡することを目指している。
研究成果は2026年10月14日、Cell Pressが発行する学術誌「Device」に掲載された。KAISTは10月27日に研究を発表した。共同研究機関には、大邱慶北科学技術院（DGIST）、韓国脳研究院（KBRI）、韓国生命工学研究院（KRIBB）が参加した。
実験では、動物の脳内で起きる化学反応を測定した。患者にとっての有効性を評価するには、インプラントを長期間安全に使用できるか、信頼性の高い測定を継続できるかなど、さらなる研究が必要となる。
アセチルコリンを追跡した理由
アセチルコリンは神経伝達物質で、神経細胞間で情報を運ぶ化学伝達物質だ。学習や記憶を支える働きがあり、薬がこうした機能に及ぼす影響を調べる上で有用な研究対象となる。
ドネペジルは、アセチルコリンを分解する酵素であるアセチルコリンエステラーゼに作用する。この酵素を阻害することで、伝達物質がより長く働けるようにする。投与後のアセチルコリンを追跡すれば、脳内で進むこの過程の一端を観察できる。
研究チームは、判断、注意、記憶に関わる領域である前頭前皮質を選んだ。チップを埋め込み、ドネペジルを投与した後、アセチルコリンの信号が上昇し、次いで徐々にベースライン、すなわち治療前に記録された水準に近づく様子を記録した。
薬の作用は時間とともに進むため、信号の変化を追うことには意義がある。ある時点だけの測定では上昇や回復のどちらかを捉える可能性があるが、連続記録なら各段階の推移を確認できる。
連続的な無線測定がもたらす変化
研究者は、脳疾患の薬を評価する際、記憶テストや行動観察、画像検査を用いることが多い。こうした方法は、脳の特定領域に直接置いたセンサーとは異なる問いに答える。成績や脳全体の活動を追跡するのに対し、このチップは埋め込み部位で特定の化学反応を追う。
脳脊髄液を直接採取する場合、1回の採取に数分以上かかることがある。今回の装置では変化を秒単位で追跡し、短時間で変動する信号をより詳細に記録できた。
小型回路が測定値を処理し、Bluetoothで外部機器に送信する。これにより、動物を記録装置につなぐデータケーブルを使わずに測定値を受信できる。
ミニブタが選ばれたのは、げっ歯類よりも脳の大きさや構造が人間に近いためだ。KRIBBは動物を提供し、手術を支援した。この実験に必要な施設と専門知識も提供した。
チップが脳内の化学反応を測定可能な信号に変える仕組み
アセチルコリンをチップの電子回路で測定できる形に変換する必要がある。センサーでは酵素によって化学反応を起こし、過酸化水素を生成する。次に電極が、この反応生成物を電流に変換する。
センサー層は、多孔質のキトサンと極めて細い銀・白金ナノワイヤーを組み合わせている。キトサンは、エビやカニなどの甲殻類の殻から得られる素材だ。小さな孔が数多くあるため、検出用の酵素が付着できる表面積が大きい。
ナノワイヤーは、反応で生じた過酸化水素を電気信号に変える役割を担う。多孔質素材と導電性ワイヤーを組み合わせることで、脳内の化学反応を電子機器が記録できる測定値に変換する。
脳内のほかの分子も電極で信号を生じさせることがある。こうした干渉を抑えるため、細いプローブには、片側に酵素を塗布した電極、もう片側に酵素を塗布していない電極が備わっている。
システムは2つの測定値を比較し、共通する信号を差し引く。これにより、背景にある化学活動からアセチルコリンに関連した変化を切り分けやすくなる。得られた測定値は小型回路を通り、動物の外部へ送信される。
別のマウス実験で光刺激を検証
チップには、脳内に光を照射できるマイクロ発光ダイオード（マイクロLED）も搭載されている。KBRIが手術と実験を支援し、研究者は遺伝子改変マウスを使った別の実験でこの部品を検証した。
このマウスは、光に反応するよう遺伝子操作された神経細胞を持つ。光遺伝学と呼ばれるこの技術では、電気刺激だけに頼らず、光を照射して選択した細胞を活性化できる。
研究者がチップの光源を点灯すると、アセチルコリンの信号の上昇が記録された。これは、同じ装置で刺激を与えると同時に、それに伴う化学反応を検出できることを示している。
つまり、この研究は2つの異なる実験で構成されていた。ミニブタではドネペジルへの反応を追跡し、遺伝子改変マウスでは光への反応を追跡した。それぞれ、複合装置の異なる機能を検証した。
脳の測定結果を次の刺激に生かせるか
張教授らは、センシングと刺激を組み合わせることを、閉ループ型の神経インターフェースに向けた出発点と位置付けている。簡単に言えば、反応を測定し、その結果に基づいて次の動作を決めるシステムだ。
将来の装置では、刺激後の化学変化を検出し、次の刺激のタイミングや強さを調節できる可能性がある。センサーと光源を一つの装置に組み込むことで、その過程を研究する手段が得られる。
研究を率い、論文の責任著者を務めたKAISTの張教授は、目標について次のように述べた。
本研究は、脳の変化を監視し、その反応に基づいて刺激を調整する技術の基盤を築くものだ
今回の研究は、こうした手法の実験的な基盤を示した。変化する脳信号に応じて刺激を確実に選び、与えるシステムの開発には、さらなる検証が必要となる。
薬剤研究への活用の可能性
研究者は、アセチルコリンを連続記録することで、薬の用量や投与間隔を変えた場合に何が起きるかを比較できる。信号が上昇したかどうかだけでなく、いつ上昇し、どのように変化し、いつ投与前の水準に近づいたかも調べられる。
こうした測定値は、投与スケジュールと特定の脳領域における化学反応を結び付けるのに役立つ可能性がある。薬の作用を調べる際、行動テストやほかの測定結果と併せて検討することもできる。
実用化に向けては、長期埋め込み時の安全性や、測定値が時間とともに安定しているかなど、今後解決すべき課題が残る。数日あるいは数週間隔で行った実験を比較するには、センサーが十分に安定して測定を続ける必要がある。
アルツハイマー病の人々にとって、現時点での成果は研究用ツールの開発だ。人への使用にはさらなる検証が必要で、臨床試験の時期は発表されていない。
論文発表、共同研究、事業化
本研究では、韓国の4機関が工学、化学センシング、動物実験の分野で協力した。DGISTの孫智恩（ソン・ジウン）、呉世赫（オ・セヒョク）、河正大（ハ・ジョンデ）各研究者が共同筆頭著者を務め、張教授は論文に関する連絡を担う責任著者となった。
論文発表と研究発表は、次の日程で行われた。
- 2026年10月14日：「Device」が、埋め込み型チップと動物実験に関する研究を掲載。
- 2026年10月27日：KAISTが研究成果と今後の開発計画を発表。
論文のタイトルは「コリン作動性薬理反応のモニタリングに向けた、電気化学センシングと光遺伝学的刺激を備える埋め込み型神経チップ」。DOIは10.1016/j.device.2026.101329。タイトル中の「電気化学センシング」は化学反応を電気的な測定値に変えること、「コリン作動性」はアセチルコリンが関わる信号伝達を指す。
研究チームは、張教授が率いる教員発スタートアップ、N-Side Inc.を通じた事業化を目指す。実験装置を信頼性の高い研究用製品にするには、研究室で重視される課題と同じく、安全な埋め込みと安定した測定に取り組む必要がある。
要点
- KAIST主導の研究チームは、ミニブタにドネペジルを投与し、埋め込み型無線チップでアセチルコリンの信号を追跡した。
- 投与後に信号は上昇し、その後、徐々に投与前の水準に近づいた。
- 装置は化学センシング、小型光源、Bluetooth送信機能を備える。
- 別の遺伝子改変マウス実験では、光刺激後にアセチルコリン信号の上昇が記録された。
- 薬剤反応の比較や、測定した脳活動に応じて調整する刺激技術の開発などへの活用が考えられる。
- 人に使用する前に、長期埋め込み時の安全性と測定の安定性をさらに検証する必要がある。
