JP2869246B2 - 神経モデル素子 - Google Patents

神経モデル素子

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    • Y10S436/806—Electrical property or magnetic property

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、生物の神経細胞での電
気振動信号による情報伝達の要素となる非線形振動信号
を発生する神経モデル素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】生体内における情報処理では、神経系の
発火が情報伝達の源であり、それは生体膜におけるタン
パク質の機能によって発生する振動と考えられている。
その振動信号は外部刺激に対し様々な変化対応を示し、
神経中枢へその刺激情報を伝達する。
【０００３】有機材料を用いて人工的にこの振動を得る
手段として、水溶液中の脂質薄膜から振動信号を得るモ
デルがある。これは、脂質分子のゆらぎにより発生する
電気振動である（例えば、吉川，表面 第２６巻 第１
１号（１９８８）または都甲，山藤，膜 第１２巻 第
１号（１９８７）参照）。
【０００４】しかしながら、この振動では膜中にあって
この振動を発生させているタンパク質の存在が考慮され
ていない。従って、外部からの入力によって特定モード
の振動を発生させること、即ち、振動を制御することは
困難となり、神経をモデル化した素子とは言い難い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は以上のような
現状に鑑みなされたものであり、脂質薄膜を基本構造と
し、その膜内に種々のイオンを輸送あるいは透過するタ
ンパク質あるいはポリペプチドを配置した生体膜モデル
であって、光照射あるいは化学物質などの外部刺激に対
応して様々に変化する振動を与える素子を提供すること
を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】以上のような目的を達成
するために本発明の神経モデル素子においては、イオン
性水溶液とその中に設置されたポリペプチドあるいはタ
ンパク質からなるイオンポンプ及びイオンチャネルを埋
設した脂質薄膜と、この脂質薄膜の膜電位を電気信号と
して伝達する電極とからなり、イオンポンプは、光照射
あるいは基質の添加などの外部刺激により、イオン性水
溶液中の特定イオンを脂質薄膜の一方の側から他の一方
の側へ輸送すること、また、イオンチャネルは、イオン
ポンプによるイオン輸送によって脂質薄膜の両側の膜電
位差がある閾値に達することで開き、この膜電位差に従
って特定イオンをイオンポンプによるイオン輸送方向の
逆方向へ透過することによって、振動を発生することを
特徴とする。
【０００７】すなわち本発明に係る神経モデル素子にお
いては、イオン性水溶液を貯留する容器と、この容器内
を分割する脂質薄膜と、この脂質薄膜に所定の外部刺激
を付与する手段と、この脂質薄膜に生じる膜電位を電気
信号として伝達する電極と、を備え、前記脂質薄膜に
は、外部刺激により前記容器内に貯留されているイオン
性水溶液中のイオンを能動輸送するイオンポンプと、こ
の能動輸送により生じた濃度差が所定の大きさになると
開くイオンチャネルと、が埋設され、外部刺激により振
動信号を得ることを特徴とする。
【０００８】なお、上記神経モデル素子において、前記
イオンポンプはバクテリオロドプシンであり、外部刺激
を付与する手段は前記脂質薄膜に光を供給する手段であ
ることが好適である。
【０００９】
【作用】本発明によれば、イオン性水溶液を仕切る脂質
薄膜に埋設された、外部刺激によるイオン輸送により膜
電位差を増大させるイオンポンプと、この膜電位差によ
り開き、膜電位差を減少させるイオンチャネルと、を組
み合わせることで膜電位差の一定周期の増減現象を得る
ことができ、これを電極により電気振動信号として得る
ことができる。
【００１０】すなわち本発明によれば、イオンポンプ
が、光照射などの外部刺激により、イオン性水溶液中の
特定イオンを脂質薄膜の一方の側から他の一方の側へ能
動輸送するのに対し、イオンチャネルは、脂質薄膜の両
側の膜電位差がある閾値に達することで開き、特定イオ
ンをイオンポンプによるイオン輸送方向の逆方向へ受動
輸送する。
【００１１】従って、脂質薄膜に外部刺激が付与される
と、この脂質薄膜に埋設されているイオンポンプが作動
し、容器内に貯留されているイオン性水溶液中のイオン
が脂質薄膜の一方の側から他の一方の側へ能動輸送さ
れ、前記脂質薄に膜電位が生じる。そして、この能動輸
送により生じた濃度差が所定の大きさになると、イオン
チャネルが開き、前記イオンポンプにより能動輸送され
たイオンと同符号のイオンが受動輸送され、膜電位が解
消される。膜電位が解消されると、イオンチャネルが閉
じ、再びイオンポンプの能動輸送により膜電位が生じ、
この膜電位を検知してイオンチャネルが開く。このよう
なイオンチャネルの開閉過程が繰り返されることによ
り、それに伴って膜電位の変化が繰り返される。このた
め、光照射などの外部刺激を与えるだけで、電気振動信
号を発生させることができる。
【００１２】
【実施例】まず、本発明の神経モデル素子による電気振
動信号の発生原理を説明する。
【００１３】本発明の神経モデル素子は、図１に示す如
く、イオン性水溶液２、脂質薄膜３及び電極６からな
り、脂質薄膜３にはイオンポンプ３ｐ及びイオンチャネ
ル３ｃが埋設されており、セル１中のイオン性水溶液２
をＡ槽及びＢ槽に仕切る仕切り壁Ｓに設置されている。
イオンポンプ３ｐは、光源による光照射等の外部刺激４
によりイオンをＡ槽からＢ槽へ輸送し、輸送されたイオ
ンは、膜電位の変化により開いたイオンチャネル３ｃを
通って、Ｂ槽からＡ槽へ脂質薄膜３を透過する。このイ
オンの移動により発生する膜電位の変化を電極６により
捉え電気振動信号を得る。
【００１４】次に本発明一実施形態を示す。図２は、一
般的な脂質二分子膜測定系であり、セル１１中のイオン
性水溶液１２は、仕切り壁ＳによりＡ槽及びＢ槽に分割
されており、スターラーバー（撹拌子）Ｑにより撹拌さ
れる。
【００１５】本実施例では、セル１１は、厚さ２５μｍ
の仕切り壁Ｓにより、それぞれ１．５ｍｌのコンパート
メント（Ａ槽及びＢ槽）に仕切られている。また、仕切
り壁Ｓには、直径約２００μｍのホールＨが形成されて
おり、ここにイオンポンプ及びイオンチャネルを埋設し
た脂質二分子膜１３が形成されている。さらに、セル１
１には、この脂質二分子膜１３に、Ｂ槽側から光照射を
行えるよう光源１４及びライトガイド１４ａが設置して
ある。セル１１及び仕切り壁Ｓの素材としては、脂質二
分子膜１３の再構成工程において有機溶媒を使用するた
め有機溶媒耐性のある材質が好ましく、本実施例ではテ
フロン製セルを使用する。セル１１中のイオン性水溶液
１２はサーキュレーター１５により温度制御される。Ａ
槽及びＢ槽には、それぞれ塩橋１６ａ、１ｍｏｌ／ｌＫ
Ｃｌ水溶液１６ｂ及び銀／塩化銀電極１６ｃからなる電
極１６が設置してある。電極１６から得られた電気振動
信号は、バッチクランプ用アンプ１７ａ、オシロスコー
プ１７ｂ、フィルタ１７ｃ、テープレコーダ１７ｄ、チ
ャートレコーダ１７ｅ、コンピュータ１７ｆからなる情
報処理部１７に送られる。以上の脂質二分子膜測定系
は、シールドボックス１８及び除振台１９を設置するこ
とで、防音及び防振によるノイズ対策が施されている。
【００１６】［脂質二分子膜の作製］ 次に、脂質二分子膜１３の作製について説明する。脂質
二分子膜は脂質分子の再構成により形成され、張り合わ
せ法（例えば、平田，大野，生物物理, 第２６巻第６号
（１９８６）または浜本ら，細胞工学 第７巻 第１号
（１９８８）参照）により作製される。
【００１７】また、イオンポンプ及びイオンチャネルの
脂質二分子膜中への再構成は、脂質分子との同時展開、
リポソーム及びタンパク質の可溶化による方法が知られ
ており（例えば、Bamberg,E.,et al.,Proceedings of N
ational Academy of Science,USA,vol.78,No12 (1981)
参照）、本実施例では、タンパク質の可溶化による方法
について説明する。
【００１８】図３（ａ）〜（ｆ）に張り合わせ法による
脂質二分子膜の再構成及びイオンポンプ、イオンチャネ
ルの脂質二分子膜中への再構成の工程別断面図を示す。
２１はテフロン製のセルであり、仕切り壁Ｓにより１．
５ｍｌのコンパートメント（Ａ槽及びＢ槽）に仕切られ
ている。仕切り壁Ｓには、直径約２００μｍのホールＨ
が形成されている。２５ａ及び２５ｂはバッファをセル
２１内に注入するためのチューブである。
【００１９】第１の工程では、図３（ａ）に示す如く、
まず、セル２１のＡ槽及びＢ槽にバッファ２２をそれぞ
れの液面がホールＨの位置より下位になるように入れ
る。本実施例では、バッファとして、１００ｍｍｏｌ／
ｌ ＮａＣｌ、２０ｍｍｏｌ／ｌtris- マレイン酸、２
ｍｍｏｌ／ｌ ＭｇＣｌ2 水溶液を使用する。
【００２０】第２の工程では、図３（ｂ）に示す如く、
バッファ２２の液面に脂質溶液を展開させる。本実施例
では、脂質溶液として、１０ｍｇ／ｍｌ大豆レシチンヘ
キサン溶液を１５μｌ使用する。脂質溶液の展開後、約
５分間放置することでヘキサンを揮発させ、バッファ２
２の液面に脂質分子展開層２３ａを形成する。
【００２１】第３の工程では、図３（ｃ）に示す如く、
バッファをチューブ２５ａ及び２５ｂを経由させてＡ槽
及びＢ槽のバッファ２２の液面下（脂質分子展開層２３
ａの下）に注入し、それぞれの液面を徐々に上昇させる
と、図３（ｄ）に示す如く、それぞれの液面がホールＨ
の位置より上位に達する時、ホールＨに脂質二分子膜２
３が形成される。
【００２２】本実施例では、張り合わせ法による脂質二
分子膜の作製を説明したが、その他の作製方法には、有
機溶媒に溶解した脂質を膜形成穴に塗り付ける、いわゆ
るはけ塗り法（例えば、Tien,H.Ti,Bilayer Lipid Memb
ranes,Theory and Practice,Mancel Dekker(1974) 参
照）が知られており、この方法で作製してもよい。
【００２３】第４の工程では、図３（ｅ），（ｆ）に示
す如く、イオンポンプ２３ｐ及びイオンチャネルを脂質
二分子膜２３中へ再構成する。この時、タンパク質は界
面活性剤により可溶化して、ポリペプチドはエタノール
溶液にして使用する。本実施例では、後述する方法によ
り可溶化したイオンポンプあるいはイオンチャネルのエ
タノール溶液をバッファへ添加し、自発的に脂質二分子
膜に再構成させる。イオンポンプ及びイオンチャネルに
はタンパク質からなるバクテリオロドプシン（ｂＲ，プ
ロトンポンプ：精製については、例えば、特願平２−２
４７８９４号公報参照）及びポリペプチドからなるグラ
ミシジン（カチオンチャネル：例えば、Adersen,O.S.,A
nnual Review of Physiology,46(1984) 参照）を用い
る。
【００２４】イオンポンプ２３ｐとなるｂＲの可溶化
は、５％トリトンＸ−１００等の界面活性剤及び０．１
ｍｏｌ／ｌ酢酸ナトリウム水溶液より可溶化させた紫膜
を、オクチルグルコシド（ＯＧ）あるいはデオキシコー
ル酸（ＤＯＣ）等と界面活性剤置換を行い調製する（例
えば、Bayley,H.,et al.,Methods in Enzymology,vol.8
8,74-81(1982) 参照）。この可溶化ｂＲをＡ槽またはＢ
槽の一方のバッファ２２へ添加することで、ｂＲは脂質
二分子膜１３中に自発的に再構成され、イオンポンプ２
３ｐが形成される。この時、ｂＲの重量が数十μｇ添加
されるように可溶化ｂＲをバッファに添加する。
【００２５】また、イオンチャネルとなるグラミシジン
については、エタノール溶液にしてバッファ２２へ添加
することで、同様に脂質二分子膜２３中へ再構成する。
この時、本実施例では、セル２１のバッファ２２中のグ
ラミシジンの濃度が数十ｐｍｏｌ／ｌになるようにグラ
ミシジン／エタノール溶液を添加する。
【００２６】本実施例では、イオンポンプとしてｂＲを
使用するが、イオンポンプとしてはｂＲと同様に光照射
により塩素イオンを輸送するハロロドプシン（ｈＲ：精
製については、例えば、Duschl,A.,et al.,J.Biolog.Ch
em.,263,32(1988)参照）、あるいは基質の添加によりプ
ロトンを始めナトリウムイオン、カリウムイオン等のカ
チオンを輸送するＡＴＰａｓｅ（例えば、Muneyuki,E.,
et al.,Biochim. Biophys.Acta,1058(1991)参照）を使
用することもできる。
【００２７】また、イオンチャネルとしても電位依存性
のイオンチャネルであれば使用が可能であり、グラミシ
ジンの他、メリチン（アニオンチャネル：例えば、Demp
sey,C.E.,Biochim.Biophys.Acta,1031(1990)参照）、あ
るいはアラメシチン（カチオンチャネル：例えば、Gord
on,L.G.M.andHaydon,D.A.,Biochim.Biophys.Acta,436(1
976)参照）などがある。これらのイオンチャネルのう
ち、イオンポンプにより輸送されるイオンに対応したも
のを選択して使用する。
【００２８】［電気振動信号発生］ 図４（ａ）〜（ｄ）に本実施例の作動形態を工程別に示
す。また、図５に、本実施例の実施条件をもとに行った
コンピュータシミュレーションによる膜電位差（イオン
濃度差）の経時変化を示す。
【００２９】第１工程（図４（ａ））：脂質二分子膜３
３に埋設されたイオンポンプ３３ｐは、光照射３４など
の外部刺激により、脂質二分子膜３３で仕切られたイオ
ン性水溶液３１の一方の側（Ａ槽）から他の側（Ｂ槽）
へ特定イオン（○）を輸送し、脂質二分子膜３３を隔て
て、この特定イオン（○）の濃度差をもたらし膜電位差
を増大させる（図５Ａ）。
【００３０】第２工程（図４（ｂ））：同様に脂質二分
子膜３３に埋設されたイオンチャネル３３ｃは、この膜
電位差がある閾値を越えたとき開き、イオンポンプ３３
ｐにより輸送された特定イオン（○）を、その濃度差を
減少させる方向（Ｂ槽からＡ槽）に透過させる。
【００３１】第３工程（図４（ｃ））：この時、透過す
る特定イオン（○）の量は、イオンポンプ３３ｐにより
輸送される量より多いため、特定イオン（○）の膜透過
に伴い膜電位差が減少し（図５Ｂ）、やがてイオンチャ
ネル３３ｃは閉じる。
【００３２】第４工程（図４（ｄ））：イオンポンプ３
３ｐは、光照射３４などの外部刺激により特定イオン
（○）を一方向へ輸送し続けているため、再び脂質二分
子膜３３を隔てて、この特定イオン（○）の濃度差をも
たらし膜電位差を増大させ（図５Ｃ）、やがてイオンチ
ャネル３３ｃが開き、第２の工程へ戻る（図５Ｄ）。
【００３３】以上の工程を繰り返すことで、膜電位差の
一定周期の増減現象を得ることができ、これを電極によ
り電気振動信号として得られる。ここで、図５（ａ）
は、イオンチャネル３３ｃが開くための閾値に対応する
Ａ槽とＢ槽のイオン性水溶液３２のイオン濃度差を約
１．３×１０-11 ｍｏｌ／ｌに設定した場合の経時変化
を示し、図５（ｂ）は、同様にイオン濃度差の閾値を約
２．５×１０-11 ｍｏｌ／ｌに設定した場合の経時変化
を示す。振動信号のパターンはイオンチャネルの能力に
依存している、即ち、脂質薄膜に配置したタンパク質及
びポリペプチドの機能により様々に変化する振動信号が
発生することがわかる。
【００３４】このように、タンパク質あるいはポリペプ
チドを配置した脂質薄膜を介在した特定イオンの移動に
より、得られる膜電位差の増減現象からなる電気振動信
号は、生体膜における振動現象とその構造及び機能が極
めて類似している。
【００３５】本発明の神経モデル素子は、外部刺激（光
照射あるいは基質の添加等）によりイオンポンプのイオ
ン輸送能力を制御することが可能なため、外部刺激に対
応した任意の振動モードを有する電気振動信号を得るこ
とができる。
【００３６】
【発明の効果】本発明によれば、イオン性水溶液を仕切
る脂質薄膜に埋設された、外部刺激によるイオン輸送に
より膜電位差を増大させるイオンポンプと、この膜電位
差により開き膜電位差を減少させるイオンチャネルを組
み合わせることで膜電位差の一定周期の増減現象を脂質
薄膜の両側に設けた電極により得ることができ、外部刺
激に対応した任意の振動モードを有する電気振動信号を
得ることができる。これは、生体情報処理の根幹となる
振動要素でありバイオコンピュータの礎となり得るもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の神経モデル素子の作動原理を示す模式
図である。
【図２】本発明実施例の神経モデル素子を示す模式図で
ある。
【図３】本発明実施例の神経モデル素子に使用する脂質
二分子膜の作製方法を示す工程別断面図である。
【図４】本発明実施例の神経モデルの作動形態を示す工
程別模式図である。
【図５】本発明実施例の神経モデル素子により得られる
電気振動信号を示す図である。
【符号の説明】
１、３１ セル ２、３２ イオン性水溶液 ３、３３ 脂質二分子膜 ３ｐ、３３ｐ イオンポンプ ３ｃ、３３ｃ イオンチャネル ４、３４ 外部刺激（光照射） ６、３６ 電極

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気振動信号を発生する神経モデル素子
    であって、 イオン性水溶液を貯留する容器と、 この容器内を分割する脂質薄膜と、 この脂質薄膜に所定の外部刺激を付与する手段と、 この脂質薄膜に生じる膜電位を電気信号として伝達する
    電極と、 を備え、 前記脂質薄膜には、外部刺激により前記容器内に貯留さ
    れているイオン性水溶液中のイオンを能動輸送するイオ
    ンポンプと、この能動輸送により生じた濃度差が所定の
    大きさになると開くイオンチャネルと、が埋設され、 外部刺激により振動信号を得る神経モデル素子。
  2. 【請求項２】 前記イオンポンプはバクテリオロドプシ
    ンであり、 外部刺激を付与する手段は、前記脂質薄膜に光を供給す
    る手段であることを特徴とする請求項１記載の神経モデ
    ル素子。
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