JP3423041B2 - 神経モデル素子 - Google Patents
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Description
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であって、脂質薄膜等の薄膜
を基本構造として含み、その膜内に種々のイオンを輸送
あるいは通過させ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電気振動信
号を与える神経モデル素子に関する。
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。
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)。
デルを用いて神経モデル素子を構築した場合には、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が困難であるという問題
があった。
たものであり、その目的は、外部刺激により電気振動信
号を発生する制御が容易な神経モデル素子を提供するこ
とにある。
するために、本発明に係る神経モデル素子においては、
電気振動信号を発生する神経モデル素子であって、容器
に貯留されたイオン性水溶液と、前記イオン性水溶液を
仕切る仕切膜であって、該仕切膜の両側の電位差がある
閾値に達することで開くカチオン選択性のイオンチャネ
ルが埋設され、該イオンチャネルの選択性と逆或いは逆
とみなせる選択性を有する仕切膜と、前記仕切膜に膜電
位を生じさせる手段と、前記仕切膜に生じた膜電位の変
化を電気信号として伝達する電極と、を含み、前記仕切
膜及びイオンチャネルの選択性に応じて前記イオン性水
溶液の濃度差が設定されている。
記仕切膜に膜電位を生じさせる手段は、前記仕切膜に埋
設されたイオンポンプと、このイオンポンプに刺激を付
与して当該イオンポンプを駆動させる手段と、を含むこ
とを特徴とする。
素子の動作・作用について、図1を参照して説明する。
電位が発生した場合でも、その大きさがイオンチャネル
の活動電位に達する前は、当該膜電位は変化しない(図
1(イ))。これは、膜電位の大きさがイオンチャネル
の活動電位に達する前では、膜全体の選択性は変化しな
いからである。
がイオンチャネルの活動電位に達すると、膜電位の増減
が繰り返され、所定の振動信号が得られる。それは、次
のような理由による。
活動電位に達すると、イオンチャネルが開き、その瞬
間、膜全体の選択性はイオンチャネルの選択性に支配さ
れる。こうなると、その瞬間だけ、膜の選択性の逆転を
招き、イオンチャネルによってコンダクタンスが増大し
た分だけ膜抵抗が落ちる。そして、膜抵抗が落ちると、
その瞬間だけ膜電位が低下し、これによってイオンチャ
ネルが閉じる。こうなると、膜全体の選択性は当該膜本
来の選択性に戻り、膜抵抗が再び上昇し、これに伴い膜
電位も再び上昇する。そして、膜電位が再上昇し、再度
イオンチャネルの活動電位に達すると、イオンチャネル
が再び開いて、その瞬間だけ当該膜電位が落ちることと
なる。
きさの電位が前記仕切膜に付与されることにより、イオ
ンチャネルの開口→選択性の逆転による膜電位の低下→
イオンチャネルの閉口→膜電位差の上昇→イオンチャネ
ルの開口→選択性の逆転による膜電位の低下、が繰り返
され、これにより、所定の増減現象を得ることができ
る。この増減現象は、電極から電気振動信号として得ら
れる(図1(ロ))。
仕切膜にイオンポンプが埋設された場合には、イオンポ
ンプ駆動によりイオンが運搬されて膜電位が生じ、この
膜電位によってイオンチャネルが開閉することなり、当
該イオンポンプが、イオンチャネルが開く膜電位を前記
仕切膜に付与する手段の働きをする。
活動電位よりも極度に大きくなると、振動信号の波形に
乱れが見られるようになる。これは、膜電位が大きくな
りすぎると、複数のイオンチャネルの間に相互作用が生
じてしまい、それらの開閉挙動が複雑化してしまうため
であると考えられている。
説明する。
施例に係る神経モデル素子の構成を示すブロック図であ
る。
1a及び11bが一体となって形成されたセル11を有
しており、セル11a或いは11bは、そのままX槽或
いはY槽を構成する。セル11のホールHには、本実施
例においては、仕切膜として脂質含浸膜13を取り付け
ている。X槽及びY槽はイオン性水溶液12を満たして
おり、従ってこれらは脂質含浸膜13により仕切られて
いる。X槽及びY槽に貯留されているイオン性水溶液1
2は、スターラーバー(撹拌子)Qにより撹拌する。
脂質含浸膜13に光照射を行えるように、光源14及び
ライトガイド14aを備えている。光源14から照射さ
れる光は、ライトガイド14aによりセル内に導かれ
る。
係で有機溶媒耐性のある材質が好ましく、本実施例では
フッ素樹脂製セルを使用する。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。X槽及びY槽には、それぞれ塩橋16a、1mol
/lのKCl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。このようにして、本実
施例においては、フッ素樹脂製のセルを脂質含浸膜13
で仕切り形成して、各セルに電極を設置している。ま
た、実施例では、X槽側を接地している。
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1
7に送られる。また、パッチクランプ用アンプ17a
は、電極16を介して脂質含浸膜13に電位差を生じさ
せることができる。
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。また、脂質
含浸膜測定系に熱伝導が生じないように、光源14は、
ヒートアブソープションフィルタ14bを介してシール
ドボックス18の外に配置してある。従って、ヒートア
ブソープションフィルタ14bにより、光源14からの
熱伝導が防止されるようになっている。
脂質が含浸されている膜のことを言い、一般的には多孔
膜等の脂質含浸性膜(脂質を含浸することができる性質
を有する膜)に脂質を含浸させて作製する。本実施例に
係る脂質含浸膜は、セルロースエステルフィルタ(公称
ポアサイズ:0.1μm)を、大豆レシチンのn−デカ
ン溶液(200mg/ml)に10分間浸漬して作成し
た。このような脂質含浸膜は、膜の作製が容易で強度が
大きいという利点がある。なお、多孔膜としては、上記
のようなセルロースエステルフィルタの他にも、セルロ
ース膜、ポリテトラフルオロエチレン、ポリカーボネイ
ト等を使用することができる。
例に係る神経モデル素子の作製方法を示す工程図であ
る。
面に穴21が開いているフッ素樹脂製の2つのセル11
a及び11bを(図3(A))、上記脂質含浸膜13を
挟み合わせて作製する(図3(B))。このように、穴
21が開いている合わせ面に、既に説明した方法により
作成された脂質含浸膜13が挟み合わされることで、2
つの槽が脂質含浸膜で仕切られた構造が形成される(図
3(C))。穴21は、そのままホールH(図2)を構
成する。実施例において、合わせ面に開いている穴21
は7〜8mmφであり、フッ素樹脂製の2つのセル11
a及び11bの容積はそれぞれ1.5ccである。
/lのKCl水溶液で満たし、約1時間放置した。紫膜
リポソーム100μl(400μg/ml 0.1mo
l/lのKCl)をX槽、0.1mol/lのKCl水
溶液100μlをY槽に添加し、更に1mol/lのC
aCl2 水溶液75μl(50mmol)を両方の槽に
添加して、約1時間撹拌した。これにより、脂質含浸膜
13のX槽側にイオンポンプ(紫膜リポソーム)が埋設
された。
水溶液1.6mlで置換し、更に1mol/lのKCl
300μlを添加して、当該Y槽の最終的な塩濃度を
0.58mol/lKClとした。一方、X槽には1m
ol/lのKCl水溶液300μlを添加して、当該X
槽の最終的な塩濃度を0.24mol/lKClとし
た。そして、この状態で約12時間放置した。
チンのエタノール溶液5μl(100μg/ml)及び
プロタミン水溶液5μl(10mg/ml)を添加し、
約30秒間撹拌した。これにより、脂質含浸膜13のY
槽側にはプロタミンが吸着され、イオンチャネル(アラ
メシチン)が埋設された。この場合に、プロタミンが吸
着されることで、中性溶液下では、脂質含浸膜13のY
槽側表面はプラスに帯電し、その結果、Y槽側の脂質含
浸膜13はアニオン選択性になる。即ち、脂質含浸膜1
3はそれ自身、本来カチオン選択性であるが、このプロ
タミンの添加により、部分的或いは全体的にアニオン選
択性に変換される。
ロタミンに限られず、この他、スペルミン等の塩基性蛋
白質を添加することにより、アニオン選択性に変換する
ことができる。ここで、脂質含浸膜13における「アニ
オン選択性」なる概念は、イオンチャネルとの関係によ
り定まる概念であり、脂質含浸膜13全体が正電荷を帯
びている状態に限られない。例えば、全体を総和すれば
負となるが、要所である一部分が正電荷を帯びているた
めに実質的にアニオン選択性であると認められる場合を
含む。
浸膜13がアニオン選択性に変換されているため、アニ
オンのみを通過するアニオン選択性の膜に、所定の電位
に達するとカチオンのみを通過させるイオンチャネルが
埋設されていることとなり、この組み合わせによって、
以下に説明するような振動現象が得られる。
うに(図2)、本実施例の神経モデル素子においては、
X槽側を接地した。そして、この状態でY槽側に定電流
刺激を行い、膜電位の変化を見た。即ち、本実施例にお
いては、脂質含浸膜13に膜電位を生じさせるために、
電極16により定電流刺激を行っているのである。定電
流刺激は、0.02、0.04、0.08、0.11、
0.18nAというように、段階的に徐々に強くして行
った。
6により検出できる。その結果は、図4に示されてい
る。図4において、グラフ中の数字は定電流刺激の大き
さを、縦軸は膜電位の大きさを示している。本実施例に
おいては、0.08nA付近の定電流刺激により、振動
信号が観測された。この0.08nA付近の定電流刺激
により振動信号が発生するのは、この程度の大きさの定
電流刺激によりアラメシチン(イオンチャネル)の活動
電位に相当する約60mVの膜電位が脂質含浸膜13に
生じるためであると考えられている。
膜電位が生じる。そして、その増大に伴って膜電位が上
昇し、当該膜電位がイオンチャネルの活動電位に達する
と、当該イオンチャネルが開き、脂質含浸膜13の選択
性はイオンチャネルの選択性に支配される。実施例にお
いて、脂質含浸膜13は、プロタミンが加えられること
によりアニオン選択性となっているが、カチオン選択性
のイオンチャネルが開くことにより、全体的に見ればカ
チオン選択性となる。こうなると、その分だけ膜抵抗が
落ち、膜電位も落ちる。そして、膜電位が落ちると、イ
オンチャネルが閉じるが、継続されている定電流刺激に
より再び膜電位が上昇して、イオンチャネルが再開し、
再び膜電位が落ちる。このような行程を繰り返すこと
で、膜電位の所定の増減現象を得ることができ、この変
化が電極16により捉えられ、電気振動信号が得られ
る。
nAを越え、0.11、0.18nAというようになっ
ていくと、振動信号の波形に乱れが見られるようにな
る。これは、定電流刺激が大きくなると、複数のアラメ
シチン(イオンチャネル)の間に相互作用が生じてしま
い、それらの開閉挙動が複雑化してしまうためであると
考えられている。
的な塩濃度を0.58mol/lKClとし、X槽の最
終的な塩濃度を0.24mol/lKClとした。そし
て、この状態で振動信号が得られた。ところが、X槽の
塩濃度が0.52mol/lで、Y槽の塩濃度が0.2
4mol/lの場合には、振動信号は発生しない。ま
た、両槽が等濃度の場合にも振動信号は発生しない。こ
のような事実から、アラメシチン(イオンチャネル)が
添加される側であるY槽の塩濃度の方が、X槽の塩濃度
よりも大きい必要があると、ある程度の憶測を持つこと
ができる。
(Y槽/X槽)が極端に大きい場合、例えば両槽の濃度
比が10倍となったような場合には振動信号が観測され
ない場合がある。このことに鑑みると、振動信号が生じ
るための両槽の濃度比(Y槽/X槽)には、所定の適性
値が存在するものと推定される。両槽の濃度比の適性値
は、脂質含浸膜13の種類及び状態、イオン性水溶液1
2の温度、イオンチャネルの種類などによって定まると
思われるが、この実施例の場合には、Y槽/X槽=0.
58/0.24であったことが適切であるようである。
に、本実施例に係る神経モデル素子では、脂質含浸膜1
3には、イオンチャネルのみならず、イオンポンプ(紫
膜リポソーム)も埋設されている。このイオンポンプ
は、光源14からの光照射により作動する。なお、この
場合に、脂質含浸膜はある程度透明なため、光源14を
逆側に配置しても同様の振動が得られるが、光が膜に吸
収される分だけ効率は落ちるため、図2に示されるよう
に、光源14はイオンポンプが埋設された側(図2では
Y槽側)に配置されることが好ましい。
ーム)をオンとすると、図4の右部分に示されているよ
うに、振動信号が生じる。これは、イオンポンプの作動
によりカチオンが運搬され、これによって膜電位が生じ
るからである。
脂質含浸膜13に光を照射すると、埋設されたイオンポ
ンプ(紫膜リポソーム)が駆動してプロトンを運搬し、
脂質含浸膜13に膜電位を生じさせる。そして、生じた
膜電位が所定の大きさになると、イオンチャネルが開い
て膜の選択性を逆転させ、膜抵抗が落ちる。すると、イ
オンチャネルが閉じるが、イオンポンプの作動により再
び膜電位が上昇する。従って、このような行程を繰り返
すことで膜電位の所定の増減現象を得ることができ、こ
の変化を電極16により捉え、これが電極により電気振
動信号として得られる。
ル素子によれば、イオンチャンネルの活動電位に達する
ように膜電位を上昇させると、図4に示されるような振
動が得られる。そして、このようにして得られる膜電位
の増減現象からなる電気振動信号は、生体膜における振
動現象と極めて類似している。
刺激(光照射等)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。従って、本実施例に係る神経モデル素子は、このよ
うな振動現象を容易に得ることができ、同時に、容易に
制御することができる神経モデル素子であるといえる。
ネルとしてアラメシチン、イオンポンプとして紫膜を用
いているが、イオンポンプ及びイオンチャンネルはこれ
らに限られることなく、また脂質含浸膜についても本実
施例に用いた材料に限られることなく、他の物質を用い
ても所定の電気振動信号を得ることができる。
性の膜にカチオン選択性のイオンチャネルという組み合
わせで振動信号を得ているが、これとは逆に、カチオン
選択性の膜にアニオン選択性のイオンチャネルという組
み合わせを用いた場合にも、同様の原理により振動信号
を得ることができる。但し、この場合には塩濃度を本実
施例とは逆に設定する必要がある。
仕切膜と逆の選択性を有するイオンチャネルを埋設し塩
濃度を調節することにより、膜電位差の振動現象を得る
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。
図である。
膜電位測定系を示す模式図である。
経モデル素子の作製方法を示す工程図である。
られる電気振動信号を示す図である。
Claims (2)
- 【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、 容器に貯留されたイオン性水溶液と、 前記イオン性水溶液を仕切る仕切膜であって、該仕切膜
の両側の電位差がある閾値に達することで開くカチオン
選択性のイオンチャネルが埋設され、該イオンチャネル
の選択性と逆或いは逆とみなせる選択性を有する仕切膜
と、 前記仕切膜に膜電位を生じさせる手段と、 前記仕切膜に生じた膜電位の変化を電気信号として伝達
する電極と、 を含み、 前記仕切膜及びイオンチャネルの選択性に応じて前記イ
オン性水溶液の濃度差が設定されている神経モデル素
子。 - 【請求項2】 請求項1記載の神経モデル素子におい
て、 前記仕切膜に膜電位を生じさせる手段は、 前記仕切膜に埋設されたイオンポンプと、 このイオンポンプに刺激を付与して当該イオンポンプを
駆動させる手段と、 を含むことを特徴とする神経モデル素子。
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