3Dプリンターで開発された世界初の高解像度脳モデル

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-3-22 11:50 に最後に編集されました

2024年3月22日、南極熊はウィーン工科大学とウィーン医科大学が共同で世界初の3Dプリント「脳モデル」を開発したことを知りました。これらのモデルは、高度な 2 光子重合 (2PP) 技術を利用して、神経細胞ネットワークやマイクロチャネルなどの脳の微細構造を正確に再現します。これらのモデルは、dMRI（拡散磁気共鳴画像）解析ソフトウェアの改善に重要であり、脳の神経構造をより正確に再構築するのに役立ち、神経変性疾患の手術および研究計画をサポートします。

△関連研究成果は、「脳の印刷：MRI用グランドトゥルース微細構造モデル」と題してAdvanced Materials Technology誌に掲載されました（ポータル）
技術研究開発の背景

研究チームは、これらの3Dプリント脳モデルがアルツハイマー病、パーキンソン病、多発性硬化症などの神経変性疾患の研究を前進させるために使用できることを実証しました。

MRI は広く使用されている診断用画像技術で、主に脳の検査に使用されます。 MRI を使用すると、電離放射線を使用せずに脳の構造と機能を調べることができます。 MRI の特殊な変種である拡散強調画像 MRI (dMRI) では、脳内の神経線維の方向を判定できます。しかし、神経線維束の交差点では、方向の異なる神経線維が重なり合うため、神経線維の方向を正確に判断することが困難です。

△カスタマイズ可能なモデルスタンドレンダリング。このアセンブリは、一連の小さなカプセル (緑) を挿入できる大きな球形のシェル (ピンク) で構成されています。レイヤーは簡単にカスタマイズでき、カプセル（赤/青）の数と位置を変更できます。また、これらのレイヤーは 1 つしか表示されていませんが、必要に応じてさらに挿入できます。MRI の専門家であるウィーン医科大学の研究者は、ウィーン工科大学の 3D プリント専門家、チューリッヒ大学、ハンブルク大学医療センターの同僚と緊密に協力しました。 2017年、ウィーン工科大学は、印刷の拡大を可能にする2光子重合プリンターを開発しました。この特許技術は、現在開発中の脳モデルの基礎となります。

見た目上、このモデルは実際の脳よりもはるかに小さく、立方体のような形をしています。その内部には、脳神経一本分ほどの大きさだが、直径は人間の髪の毛の5分の1の細さの微細な管が詰まっている。

△ アップスケーリング、設計の最適化、検証脳内の神経細胞の繊細なネットワークを模倣するために、第一著者の Michael Woletz 氏 (ウィーン医科大学、医学物理学および生物医学工学センター) と Franziska Chalupa-Gantner 氏 (ウィーン工科大学、3D 印刷およびバイオファブリケーション研究グループ) が率いる研究チームは、2 光子重合というかなり珍しい 3D 印刷方法を使用しました。この高解像度の方法は、立方ミリメートル規模の三次元構造を印刷するのではなく、主にナノメートルおよびマイクロメートル規模の微細構造を印刷するために使用されます。

研究チームによると、これまでにも3Dプリント法を使って脳モデルを作成したという報告はあったが、そのほとんどは印刷解像度がはるかに低く、筋肉の微細構造を模倣するのに適した大きなチャネル径になっていたという。この目的のために、ウィーンの研究者たちは、2光子重合印刷プロセスの速度を上げるためにさまざまな技術を使用し、より大きな軸索をシミュレートするのに適した、マイクロチャネルの数と密度を高く維持しながら、全体の大きさが数ミリメートルの構造を生産することを可能にした。

マイケル・ウォレッツ氏は、このアプローチを、dMRI の診断機能の向上と携帯電話のカメラの動作方法に例えています。「携帯電話のカメラによる写真撮影で私たちが目にした最大の進歩は、必ずしも新しくて優れたレンズではなく、画像を撮影するソフトウェアの改良です。したがって、dMRI でも状況は同様です。新しく開発された脳モデルを使用することで、分析ソフトウェアをより正確に調整することができ、それによって測定データの品質が向上し、脳の神経構造をより正確に再構築できます。」

△モデル設計と検証
脳モデルのトレーニングと分析ソフトウェア

したがって、dMRI 解析ソフトウェアを「トレーニング」する際には、脳内の特徴的な神経構造をリアルに再現することが重要です。 3D プリントを使用すると、変更やカスタマイズが可能な多様で複雑なデザインを作成できます。したがって、脳モデルは、交差した神経経路など、特に複雑な信号を生成し、そのため分析が難しい脳の領域を表します。

解析ソフトウェアを校正するために、dMRI を使用して脳モデルを検査し、測定データを実際の脳と同じように解析しました。 3Dプリントにより、モデルの設計を正確に把握し、解析結果を確認することができます。ウィーン工科大学とウィーン医科大学は共同研究の一環としてこれを実証することができました。

△ 2光子重合3Dプリント技術の原理模式図。コンセプトは検証済みだが、チームはまだ課題に直面している。現在、最大の課題は、このアプローチを拡大することです。「2光子重合の高解像度により、マイクロメートルやナノメートルの範囲で詳細を印刷することが可能となり、脳神経画像化に最適です」とチャルパ・ガントナー氏は説明します。「しかし同時に、この技術を使用して数立方センチメートルの大きさの立方体を印刷するには、相応に長い時間がかかります。そのため、私たちはより複雑なデザインの開発だけでなく、印刷プロセス自体のさらなる最適化にも取り組んでいます。」

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