JP2736326B2 - 単一神経活動電位計測装置 - Google Patents
単一神経活動電位計測装置Info
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Classifications
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
- A61B5/291—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electroencephalography [EEG]
- A61B5/293—Invasive
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- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は神経電気生理実験に
おいて単一神経細胞活動電位を精度よく抽出する単一神
経活動電位計測装置に関するものである。
おいて単一神経細胞活動電位を精度よく抽出する単一神
経活動電位計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】神経活動電位発火パターンから脳機能を
解明しようとする手法は電気生理学における基本的手段
として利用されている。神経集団としての脳機能を解明
する上で個々の神経細胞の機能解明は必要不可欠であ
り、従来、高インピーダンスをもつ微小電極を用いる単
一神経活動計測法があった。単一神経活動計測法は電極
を計測対象となる細胞体に可能な限り近づけ、神経活動
スパイクの振幅あるいは持続時間の違いから特定の神経
細胞の活動だけを抽出するというものである。しかし、
信号雑音比の低い条件下、あるいは細胞体が密集する脳
部位（海馬など）では、単一神経活動スパイクを高精度
で分離することは困難であった。
解明しようとする手法は電気生理学における基本的手段
として利用されている。神経集団としての脳機能を解明
する上で個々の神経細胞の機能解明は必要不可欠であ
り、従来、高インピーダンスをもつ微小電極を用いる単
一神経活動計測法があった。単一神経活動計測法は電極
を計測対象となる細胞体に可能な限り近づけ、神経活動
スパイクの振幅あるいは持続時間の違いから特定の神経
細胞の活動だけを抽出するというものである。しかし、
信号雑音比の低い条件下、あるいは細胞体が密集する脳
部位（海馬など）では、単一神経活動スパイクを高精度
で分離することは困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、信号雑音比
の低い条件下や細胞体の密集した脳部位でも、単一神経
活動電位を高精度で分離抽出可能な単一神経活動電位計
測装置を提供することを目的としている。
の低い条件下や細胞体の密集した脳部位でも、単一神経
活動電位を高精度で分離抽出可能な単一神経活動電位計
測装置を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の単一神経活動電位計測装置は、脳内あるい
は神経束内に挿入されるべき複数の微小電極の束からな
る複合神経活動計測用多チャネル微小電極と、前記多チ
ャネル微小電極から導出された多チャネル同時測定デー
タに基づき、前記複数の微小電極と神経細胞体との距離
に応じた減衰効果を信号雑音比の低下に影響されること
なく空間減衰ベクトルとして評価する空間減衰ベクトル
算出手段と、空間減衰ベクトル算出手段で算出された空
間減衰ベクトルに基づき特定の神経細胞から発生した神
経活動電位を他の神経細胞から発生した神経活動電位と
分離させて抽出する単一神経活動電位分離抽出手段とを
備えたものとして構成される。
め、本発明の単一神経活動電位計測装置は、脳内あるい
は神経束内に挿入されるべき複数の微小電極の束からな
る複合神経活動計測用多チャネル微小電極と、前記多チ
ャネル微小電極から導出された多チャネル同時測定デー
タに基づき、前記複数の微小電極と神経細胞体との距離
に応じた減衰効果を信号雑音比の低下に影響されること
なく空間減衰ベクトルとして評価する空間減衰ベクトル
算出手段と、空間減衰ベクトル算出手段で算出された空
間減衰ベクトルに基づき特定の神経細胞から発生した神
経活動電位を他の神経細胞から発生した神経活動電位と
分離させて抽出する単一神経活動電位分離抽出手段とを
備えたものとして構成される。
【０００５】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図面
に基づいてさらに詳細に説明する。図１は本発明に係る
単一神経活動電位計測装置の構成例を示す図である。図
１を参照すると、この単一神経活動電位計測装置は、複
数の微小電極ワイヤ４を束ねた複合神経活動電位計測用
多チャネル微小電極１と、多チャネル微小電極１の各ワ
イヤ４から導出される神経活動電位をそれぞれに増幅す
る増幅器２と、空間減衰べクトル算出部５と、単一神経
活動電位分離抽出部６とを有している。
に基づいてさらに詳細に説明する。図１は本発明に係る
単一神経活動電位計測装置の構成例を示す図である。図
１を参照すると、この単一神経活動電位計測装置は、複
数の微小電極ワイヤ４を束ねた複合神経活動電位計測用
多チャネル微小電極１と、多チャネル微小電極１の各ワ
イヤ４から導出される神経活動電位をそれぞれに増幅す
る増幅器２と、空間減衰べクトル算出部５と、単一神経
活動電位分離抽出部６とを有している。
【０００６】ここで、上記複合神経活動電位計測用多チ
ャネル微小電極１は、複数の微小電極ワイヤ４を束ねた
ものであり、例えば、図２に示すように、直径５０ミク
ロンのポリウレタン被覆ステンレスワイヤ４を切断して
束ね、その切断面を神経活動電位導出に用いることがで
きる。なお、後述のように、各電極ワイヤ４は、チャネ
ルとして機能する。
ャネル微小電極１は、複数の微小電極ワイヤ４を束ねた
ものであり、例えば、図２に示すように、直径５０ミク
ロンのポリウレタン被覆ステンレスワイヤ４を切断して
束ね、その切断面を神経活動電位導出に用いることがで
きる。なお、後述のように、各電極ワイヤ４は、チャネ
ルとして機能する。
【０００７】また、上記空間減衰ベクトル算出部５は、
各増幅器２から出力された各信号（各チャネルの出力）
に対し、各微小電極ワイヤ４から細胞体３までの距離に
よって生じる減衰効果がどの程度であるかを信号雑音比
の低下に影響されることなく評価し、その評価値を要素
として持つベクトルを出力するものである。例えば、各
チャネルから観測された活動電位波形と図３に示すよう
な神経活動電位スパイクのテンプレート波形との間の共
分散を計算し、各チャネルの共分散値を要素としたベク
トルを空間減衰ベクトルとして出力するようになってい
る。なお、ここで、テンプレート波形としては、微小電
極と細胞体とが十分に近く、信号雑音比が高い状況で計
測された活動電位波形を用いるのが良い。
各増幅器２から出力された各信号（各チャネルの出力）
に対し、各微小電極ワイヤ４から細胞体３までの距離に
よって生じる減衰効果がどの程度であるかを信号雑音比
の低下に影響されることなく評価し、その評価値を要素
として持つベクトルを出力するものである。例えば、各
チャネルから観測された活動電位波形と図３に示すよう
な神経活動電位スパイクのテンプレート波形との間の共
分散を計算し、各チャネルの共分散値を要素としたベク
トルを空間減衰ベクトルとして出力するようになってい
る。なお、ここで、テンプレート波形としては、微小電
極と細胞体とが十分に近く、信号雑音比が高い状況で計
測された活動電位波形を用いるのが良い。
【０００８】また、上記単一神経活動電位分離抽出部６
は、空間減衰ベクトル算出部５により得られた空間減衰
ベクトルに基づいて神経活動スパイクを分類するもので
ある。例えば、各活動電位について空間減衰ベクトルを
疑似空間にプロットし、空間減衰ベクトルの値の近い神
経活動スパイクは同一の神経細胞体から発生したもので
あるとして分布の集中している箇所と細胞体との対応関
係により、神経活動スパイクを分類するようになってい
る。
は、空間減衰ベクトル算出部５により得られた空間減衰
ベクトルに基づいて神経活動スパイクを分類するもので
ある。例えば、各活動電位について空間減衰ベクトルを
疑似空間にプロットし、空間減衰ベクトルの値の近い神
経活動スパイクは同一の神経細胞体から発生したもので
あるとして分布の集中している箇所と細胞体との対応関
係により、神経活動スパイクを分類するようになってい
る。
【０００９】次に、このような構成の装置の処理動作例
について説明する。各チャネル微小電極１が３本の微小
電極ワイヤ４（ｃｈ１），４（ｃｈ２），４（ｃｈ３）
からなっているとし、この微小電極１を脳内あるいは神
経束内の所定部位に挿入したとする。このとき、微小電
極１の近傍には、３つの細胞体３ａ，３ｂ，３ｃが存在
するとする。いま、図２において例えば細胞体３ａで神
経興奮が発生したとする。この神経細胞体３ａは第１チ
ャネルの電極ワイヤ４（ｃｈ１）に最も近く第２チャネ
ルの電極ワイヤ４（ｃｈ２）に最も遠いので、空間にお
ける減衰効果によって第１チャネル４（ｃｈ１）では大
きな活動電位波形、第２チャネル４（ｃｈ２）では小さ
な活動電位波形として観測される。これら活動電位波
形、すなわち多チャネル同時測定データは、それぞれ増
幅器２によって一定の増幅率で増幅され、空間減衰ベク
トル算出部５に入力される。空間減衰ベクトル算出部で
は、各電極ワイヤ４と細胞体３との距離による減衰効果
を信号雑音比の低下に影響されにくい評価パラメータ、
ここでは第３図に示したテンプレート波形との共分散と
して算出する。この共分散値は、各チャネル４（ｃｈ
１），４（ｃｈ２），４（ｃｈ３）で観測された活動電
位波形に含まれるテンプレート波形成分の量を表わして
おり、上記の例では、第１チャネル４（ｃｈ１）での活
動電位波形からは大きな値、第２チャネル４（ｃｈ２）
での活動電位波形からは小さな値として算出される。こ
こで、テンプレート波形として典型的な活動電位波形を
用いることによって、テンプレート波形とは異なった波
形成分をもつランダムノイズやドリフトが評価値に与え
る影響を低減することができる。こうして得られた各チ
ャネルの共分散値をベクトルの要素にして空間減衰ベク
トルとする。例えば、図２の例において、第１、第２、
第３チャネル４（ｃｈ１），４（ｃｈ２），４（ｃｈ
３）の共分散値がそれぞれｃｏｖ（１），ｃｏｖ
（２），ｃｏｖ（３）のように求まると、空間減衰ベク
トルは、〔ｃｏｖ（１），ｃｏｖ（２），ｃｏｖ
（３）〕となる。この空間減衰ベクトルは、細胞体と微
小電極１との間の位置関係によるものであるから、別の
細胞体では別のベクトル値をとる。すなわち、図２にお
いて、細胞体３ａとは異なる細胞体、例えば３ｂで神経
興奮が発生したときには、空間減衰ベクトルは細胞体３
ａの興奮時とは異なるものとなる。このことを利用し
て、単一神経活動電位分離抽出部６では、クラスタリン
グを行い、各細胞体３ａ，３ｂ，３ｃごとに神経活動ス
パイクを分類することができる。
について説明する。各チャネル微小電極１が３本の微小
電極ワイヤ４（ｃｈ１），４（ｃｈ２），４（ｃｈ３）
からなっているとし、この微小電極１を脳内あるいは神
経束内の所定部位に挿入したとする。このとき、微小電
極１の近傍には、３つの細胞体３ａ，３ｂ，３ｃが存在
するとする。いま、図２において例えば細胞体３ａで神
経興奮が発生したとする。この神経細胞体３ａは第１チ
ャネルの電極ワイヤ４（ｃｈ１）に最も近く第２チャネ
ルの電極ワイヤ４（ｃｈ２）に最も遠いので、空間にお
ける減衰効果によって第１チャネル４（ｃｈ１）では大
きな活動電位波形、第２チャネル４（ｃｈ２）では小さ
な活動電位波形として観測される。これら活動電位波
形、すなわち多チャネル同時測定データは、それぞれ増
幅器２によって一定の増幅率で増幅され、空間減衰ベク
トル算出部５に入力される。空間減衰ベクトル算出部で
は、各電極ワイヤ４と細胞体３との距離による減衰効果
を信号雑音比の低下に影響されにくい評価パラメータ、
ここでは第３図に示したテンプレート波形との共分散と
して算出する。この共分散値は、各チャネル４（ｃｈ
１），４（ｃｈ２），４（ｃｈ３）で観測された活動電
位波形に含まれるテンプレート波形成分の量を表わして
おり、上記の例では、第１チャネル４（ｃｈ１）での活
動電位波形からは大きな値、第２チャネル４（ｃｈ２）
での活動電位波形からは小さな値として算出される。こ
こで、テンプレート波形として典型的な活動電位波形を
用いることによって、テンプレート波形とは異なった波
形成分をもつランダムノイズやドリフトが評価値に与え
る影響を低減することができる。こうして得られた各チ
ャネルの共分散値をベクトルの要素にして空間減衰ベク
トルとする。例えば、図２の例において、第１、第２、
第３チャネル４（ｃｈ１），４（ｃｈ２），４（ｃｈ
３）の共分散値がそれぞれｃｏｖ（１），ｃｏｖ
（２），ｃｏｖ（３）のように求まると、空間減衰ベク
トルは、〔ｃｏｖ（１），ｃｏｖ（２），ｃｏｖ
（３）〕となる。この空間減衰ベクトルは、細胞体と微
小電極１との間の位置関係によるものであるから、別の
細胞体では別のベクトル値をとる。すなわち、図２にお
いて、細胞体３ａとは異なる細胞体、例えば３ｂで神経
興奮が発生したときには、空間減衰ベクトルは細胞体３
ａの興奮時とは異なるものとなる。このことを利用し
て、単一神経活動電位分離抽出部６では、クラスタリン
グを行い、各細胞体３ａ，３ｂ，３ｃごとに神経活動ス
パイクを分類することができる。
【００１０】図４は、実際に行った測定結果を用いて第
１チャネル４（ｃｈ１）の波形と図３に示したテンプレ
ート波形との共分散値をｘ軸の値にし、第２チャネル４
（ｃｈ２）及び第３チャネル４（ｃｈ３）からの共分散
値をそれぞれｙ軸、ｚ軸の値にして、空間減衰ベクトル
をプロットしたものである。図４より、各細胞体３ａ
（タイプ３），３ｂ（タイプ１），３ｃ（タイプ２）に
対応した空間減衰ベクトルの集中箇所の生じていること
が確認される。
１チャネル４（ｃｈ１）の波形と図３に示したテンプレ
ート波形との共分散値をｘ軸の値にし、第２チャネル４
（ｃｈ２）及び第３チャネル４（ｃｈ３）からの共分散
値をそれぞれｙ軸、ｚ軸の値にして、空間減衰ベクトル
をプロットしたものである。図４より、各細胞体３ａ
（タイプ３），３ｂ（タイプ１），３ｃ（タイプ２）に
対応した空間減衰ベクトルの集中箇所の生じていること
が確認される。
【００１１】図５は、図４の結果に対して単一神経活動
電位分離抽出部６にてクラスタリングを行い、神経活動
スパイクを分類した結果を示す図である。すなわち、図
５は、図４の様に、空間減衰ベクトルに基づきタイプ
１，２，３のクラスタリングが行われた後で、各チャネ
ル４（ｃｈ１），４（ｃｈ２），４（ｃｈ３）から観測
された活動電位波形をタイプごとに重ね合わせ表示した
ものである。この結果から、複数の細胞体から発生した
活動電位波形が細胞体ごとに分類されていることが分か
る。特に、第３チャネルにおいてタイプ１とタイプ３の
活動電位はほぼ同じ波形を持っているため、このチャネ
ルの情報だけでは分類不可能であるが、多チャネル計測
と減衰ベクトルによるクラスタリングによって容易に分
類されていることが確認される。
電位分離抽出部６にてクラスタリングを行い、神経活動
スパイクを分類した結果を示す図である。すなわち、図
５は、図４の様に、空間減衰ベクトルに基づきタイプ
１，２，３のクラスタリングが行われた後で、各チャネ
ル４（ｃｈ１），４（ｃｈ２），４（ｃｈ３）から観測
された活動電位波形をタイプごとに重ね合わせ表示した
ものである。この結果から、複数の細胞体から発生した
活動電位波形が細胞体ごとに分類されていることが分か
る。特に、第３チャネルにおいてタイプ１とタイプ３の
活動電位はほぼ同じ波形を持っているため、このチャネ
ルの情報だけでは分類不可能であるが、多チャネル計測
と減衰ベクトルによるクラスタリングによって容易に分
類されていることが確認される。
【００１２】上述の実施の形態では、微小電極１の近傍
に３つの細胞体が存在する場合を例にとって説明した
が、微小電極１の近傍にさらに多くの細胞体がある場合
にも、同様にして、多数の細胞体からの神経活動スパイ
クを細胞体ごとに分類することができる。このような単
一神経活動電位計測装置は、測定対象空間に複数の微小
電極を配置し、各電極と神経細胞体との距離に応じて生
じる減衰効果の違いから神経活動スパイクを分離するも
のである。これにより、測定対象空間内にある複数の神
経細胞体の各々から生じた活動スパイクを信号雑音比の
低い条件下や細胞体の密集した脳部位でも分離すること
ができる。
に３つの細胞体が存在する場合を例にとって説明した
が、微小電極１の近傍にさらに多くの細胞体がある場合
にも、同様にして、多数の細胞体からの神経活動スパイ
クを細胞体ごとに分類することができる。このような単
一神経活動電位計測装置は、測定対象空間に複数の微小
電極を配置し、各電極と神経細胞体との距離に応じて生
じる減衰効果の違いから神経活動スパイクを分離するも
のである。これにより、測定対象空間内にある複数の神
経細胞体の各々から生じた活動スパイクを信号雑音比の
低い条件下や細胞体の密集した脳部位でも分離すること
ができる。
【００１３】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、複合神経活動電位計測用多チャネル微小電極の近傍
に存在する多数の細胞体からの神経活動スパイクを細胞
体ごとに容易に分類することが可能である。信号雑音比
の低い場合や細胞体の密集している場合での神経電気生
理学実験に本発明は有効である。
ば、複合神経活動電位計測用多チャネル微小電極の近傍
に存在する多数の細胞体からの神経活動スパイクを細胞
体ごとに容易に分類することが可能である。信号雑音比
の低い場合や細胞体の密集している場合での神経電気生
理学実験に本発明は有効である。
【図１】本発明に係る単一神経活動電位計測装置の構成
例を示す図である。
例を示す図である。
【図２】微小電極と神経細胞体との距離による減衰効果
を説明するための図である。
を説明するための図である。
【図３】神経活動スパイクのテンプレート波形を示す図
である。
である。
【図４】空間減衰ベクトルの一例を示す図である。
【図５】本発明による活動電位波形分類結果を示す図で
ある。
ある。
１ 複合神経活動電位計測用多チャネル微小電極 ２ 増幅器 ３ 神経細胞体 ４ 微小電極ワイヤ ５ 空間減衰ベクトル算出部 ６ 単一神経活動電位分離抽出部
Claims (3)
- 【請求項１】 脳内あるいは神経束内に挿入され細胞体
の近傍に配置される複数の微小電極の束からなる複合神
経活動計測用多チャネル微小電極と、前記多チャネル微
小電極から導出された多チャネル同時測定データに基づ
き、前記複数の微小電極と神経細胞体との距離に応じた
減衰効果を信号雑音比の低下に影響されることなく空間
減衰ベクトルとして評価し、該空間減衰ベクトルを算出
する空間減衰ベクトル算出手段と、空間減衰ベクトル算
出手段で算出された空間減衰ベクトルに基づき特定の神
経細胞から発生した神経活動電位を他の神経細胞から発
生した神経活動電位と分離させて抽出する単一神経活動
電位分離抽出手段とを備えたことを特徴とする単一神経
活動電位計測装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の装置において、前記空
間減衰ベクトル算出手段は、前記多チャネル同時測定デ
ータと神経活動電位のテンプレート波形との間の共分散
を算出し、該共分散を前記空間減衰ベクトルとすること
を特徴とする単一神経活動電位計測装置。 - 【請求項３】 請求項１に記載の装置において、前記単
一神経活動電位分離抽出手段は、前記空間減衰ベクトル
を多チャネルに対応した空間にプロットし、このプロッ
トの分布の集中している箇所を識別することによって神
経活動スパイクを分類することを特徴とする単一神経活
動電位計測装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7173080A JP2736326B2 (ja) | 1995-07-10 | 1995-07-10 | 単一神経活動電位計測装置 |
| DE69634319T DE69634319T2 (de) | 1995-07-10 | 1996-07-09 | Vorrichtung zum Messen des Aktionspotentials eines Einzelnervs |
| EP96111044A EP0753284B1 (en) | 1995-07-10 | 1996-07-09 | Single-nerve-action-potential-measuring apparatus |
| US08/677,847 US5692516A (en) | 1995-07-10 | 1996-07-10 | Single-nerve-action-potential-measuring apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7173080A JP2736326B2 (ja) | 1995-07-10 | 1995-07-10 | 単一神経活動電位計測装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0924031A JPH0924031A (ja) | 1997-01-28 |
| JP2736326B2 true JP2736326B2 (ja) | 1998-04-02 |
Family
ID=15953842
Family Applications (1)
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