JP4665105B2 - 細胞組織磁気信号検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気的興奮を発生する興奮性細胞を含んで構成される細胞組織において局所的に発生する磁気信号を検出する細胞組織磁気信号検出装置に関するものであり、特に、検出対象となる細胞組織に対し非接触、かつ非侵襲により磁気信号の検出を行なうことのできる細胞組織磁気信号検出装置に関するものである。

生体には神経、筋、内分泌細胞などのさまざまな電気的興奮性細胞が存在している。これら電気的興奮性細胞においては、細胞膜を隔てたイオン輸送体の活性化、すなわちイオンの流れにより膜電位変化が発生する。神経、筋、内分泌細胞など生体内に存在する電気的興奮性細胞は、その機能に応じて特徴的な電気的活動を行う。この電気的興奮性細胞を含んで構成される細胞組織は、生体内における機能や役割に対応してそれぞれ異なる種類の組織となる。たとえば、図１は、非特許文献５に記載された、様々な細胞組織について記録される細胞内電位記録である。この図１に示されるように、心臓のペースメーカ細胞は自発性に電気的興奮を繰り返す（同図（Ａ））。一方、心室筋細胞は周囲からの電気的トリガーに誘発され、形状の大きく異なる電位を発生する（同図（Ｂ））。

また、電気的興奮性細胞を含んで構成される細胞組織は、薬物、化合物、あるいは食品内含有物等の作用により、作用させた薬物等に応じた前記電気的活動を行なうので、これらを薬物、化合物、あるいは食品内含有物等を作用させた場合の前記細胞組織の活動を短時間でスクリーニング評価することができれば、興奮性細胞へ作用する薬物開発などが大いに推進される。また、例えばアルツハイマー病やパーキンソン病の神経変性、心筋梗塞での心室筋の壊死、糖尿病におけるすい臓ランゲルハンス島ベータ細胞の機能不全などの重要な疾患においては、電気的興奮性細胞を含む細胞組織に変化が現れる。このように、細胞組織の状態を評価するために、細胞組織の電気的活動を観察するための装置の開発が期待されている。

従来、このような細胞組織の状態を評価するためには、数十倍の顕微鏡を用いて評価対象である細胞組織を拡大し、一つ一つの細胞をマイクロメートル（μｍ）サイズの検出針（微小ガラス電極やパッチクランプ電極等のマイクロプローブ）で測定する技術が用いられることが多くあった。しかしながら、この技術においては検査者個人の技能に依存する程度が大きく、客観的な手法として確立することは困難であった。

ところで、再生医療や薬剤開発などへの利用のため、Ｅｍｂｒｙｏｎｉｃ Ｓｔｅｍ（ＥＳ）細胞、ｉｎｄｕｃｅｄ−ｐｌｕｒｉｐｏｔｅｎｔ Ｓｔｅｍ（ｉＰＳ）細胞など多種多様な細胞に分化できる万能細胞や、特定の一群の細胞群に分化できる幹細胞などを特定の目的とする細胞組織へと誘導する技術の確立が望まれている。ｉＰＳ細胞はさまざまな細胞に分化できるという能力を持つがゆえに、図２に示すように同一の組織内に神経、筋、上皮、脂肪細胞など多種多様な組織が部分として混在して存在する奇形腫として発育してしまうことがあるためである。なお、図２は非特許文献６に記載された図を元にしている。かかる場合において、いずれかの細胞組織に特定して確実に誘導できる技術のためには、同一の組織内に部分的に存在する多種多様な組織のうち、目的とする細胞組織となりうる部分を特定することが必要である。そして、前述のように、電気的興奮性細胞の機能に応じた電気的活動に基づいて、前記目的とする細胞組織となりうる部分を特定することが考えられる。かかる用途においては、電気的活動を検出対象となる細胞組織に対し非接触、あるいは非侵襲により検出を行なう必要がある。

非特許文献１および非特許文献２には、微小な細胞組織における活動電位変化を低侵襲で効率的に検出する方法として、下面に多点のマイクロ電極が配置された実験槽を利用する方法が開示されている。また、非特許文献３および非特許文献４には、微小な細胞組織における活動電位変化を低侵襲で効率的に検出する方法として、膜電位感応色素の光信号を利用する方法が開示されている。さらに特許文献１には、細胞組織の発生する磁気変化を、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計；Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）を利用することにより検出する装置が開示されている。

特開２００４―２１９１０９号公報 Shimono, K., Brucher, F., Granger, R., Lynch, G., & Taketani, M.、"Origins and Distribution of Cholinergically Induced β Rhythms in Hippocampal Slices"、The Journal of Neuroscience、2000年、第20巻、p. 8462-8473 Nakayama, S., Shimono, K., Liu, H.-N., Jiko, H., Katayama, N., Tomita, T. & Goto, K.、"Pacemaker phase shift in the absence of neural activity in guinea-pig stomach: a microelectrode array study"、The Journal of Physiology、2006年、第576巻、p. 727-738 Kamino, K., Komuro, H., Sakai, T., & Sato, K.、"Optical assessment of spatially ordered patterns of neural response to vagal stimulation in the early embryonic chick brainstem"、Neuroscience Research、1990年、第8巻、p. 255-271 Zochowski, M., Wachowiak, M., Falk, C.X., Cohen, L.B., Lam, Y.W., Antic, S., & Zecevic, D.、"Imaging Membrane Potential With Voltage-Sensitive Dyes"、Biological Bulletin、2000年、第198巻、p. 1-21 Hille, B、"Ion Channels of Excitable Membranes"、3rd Edition、USA、Sinauer Associates Inc, Sunderland、2001年 Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita, M., Ichisaka, T., Tomoda, K., & Yamanaka, S.、"Induction of Pluripotent Stem Cells from Adult Human Fibroblasts by Defined Factors"、Cell、2007年、第131巻、p. 834-835 Takaki, M., Nakayama, S., Misawa, H., Nakagawa, T. & Kuniyasu, H.、"In Vitro Formation of Enteric Neural Network Structure in a Gut-Like Organ Differentiated from Mouse Embryonic Stem Cells"、Stem Cells、2006年、第24巻、p. 1414-1422 中山晋介、大矢進、今泉祐治、 「Cell cluster 標本を用いた腸管自動性メカニズムの研究」、Folia Pharmacol. Jpn.、2004年、第123巻、p. 149-154 Ganong, W. F. 著、星猛ら訳、「医科生理学展望・第二章・興奮性組織：神経」、丸善、2000年 内山剛、田島信吾、汲力、「ＭＩマイクロ磁気センサを用いた非接触心拍検出法」、電気学会マグネティックス研究会予稿集，2007年、MAG-07-108 毛利佳年雄著、「磁気センサ理工学」、コロナ社、1998年

図３は、前述の非特許文献１あるいは非特許文献２に開示された、下面に多点のマイクロ電極が配置された実験槽を利用して、微小な細胞組織における活動電位変化を低侵襲で効率的に検出する方法を実現する装置の例を示した図である。図３は、培養容器を上方から見た図であり、培養容器に設けられた１つのウェル（実験槽）１１２中の底面に、４つの微小電極（マイクロ電極）１１６が設けられている。そして、ウェル１１２の中にある細胞組織１１４のうち、いずれかの電極１１６に接した細胞組織１１４の活動電位変化を図示しない検出回路などにより検出する。しかしながら、図３の装置によれば、細胞組織１１４が電極１１６に直接接しないと検出を行なうことができない為、電極１１６に接した細胞組織１１４の状態、すなわち電気的な活動しか検出することができないという問題がある。さらに、検出の実行後の細胞組織１１４を電極１１６から分離することが困難であるという問題もある。

図４は、前述の非特許文献３あるいは非特許文献４に開示された、膜電位感応色素の光信号を利用することにより微小な細胞組織における活動電位変化を低侵襲で効率的に検出する方法を実現する装置の例を示した図である。膜電位感応色素は、細胞組織の電位変化に応じて蛍光の変化などを生ずる物質であって、光プローブとして用いることにより細胞の活動を計測するものである。具体的には、図４において、培養容器に設けられた１つのウェル（実験槽）１１２中にある細胞組織１１４（１１４ａ、および１１４ｂ）には前記光プローブとしての膜電位感応色素が添加されている。このようにすれば、細胞組織１１４の蛍光の違い、例えば図４に示す１１４ａ、および１１４ｂの違いを検出することにより、細胞組織１１４における活動電位を検出することができる。

しかしながら、前記膜電位感応色素は、測定条件によっては生体シグナルから光シグナルへの変換を不適切に行う場合、すなわち細胞組織の電位と蛍光の度合いとが一致しない場合がある。また、細胞によって取り込まれる色素の量に違いがあるという問題もある。また、光プローブ負荷、すなわち膜電位感応色素を添加することによる細胞組織の損傷も頻繁に起こる。さらに、光プローブのなかででも特に高感度の膜電位感応色素は電気信号への応答が遅く、電気信号への応答が比較的早いものは低感受性であるというように使用時に困難が多く、安定した結果が得られないという問題がある。かかる問題は、本願発明者らによって発表された非特許文献７にも関連する。非特許文献７では、ＥＳ細胞から誘導した腸管様細胞組織中に神経細胞を誘導し、この神経細胞誘導の結果を細胞内Ｃａに応答する光プローブを使用して評価する実験において、安定した結果をすべての標本から得ることは実際できなかった。その原因には、光プローブ自身による細胞組織の損傷や光プローブの退色など挙げられる。また、細胞内Ｃａ（カルシウム）の増加、及びそれに続く正常化が起こる速度は遅く、ｍｓ（ミリ秒）間隔で繰り返す神経活動パルストレイン等への反応を評価するのは困難であった。

図５は、前述の特許文献１に開示された、細胞組織の発生する磁気変化を、ＳＱＵＩＤ（超伝導量子干渉計；Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）を利用することにより検出する装置の例を斜視図により示した図である。かかるＳＱＵＩＤを利用した装置によれば、前述のマイクロ電極１１６を用いる方法や、光プローブを用いる方法と異なり、測定における細胞組織の損傷を回避することができる。図５において、培養容器に設けられた１つのウェル（実験槽）１１２中の下方に、ＳＱＵＩＤを用いた磁気センサ１１８が設置されており、ウェル１１２中にある細胞組織１１４によって生ずる磁気信号を検出できるようにされている。図６は、図５のＳＱＵＩＤを利用した検出装置の全体の構成の一例を説明する図である。図６に示すように、磁気センサ（ＳＱＵＩＤセンサ）１１８は、液体窒素容器１１９、クライオスタット（ｃｒｙｏｓｔａｔ；低温恒温装置）１２０により超低温環境に置かれる。

検出対象となる細胞組織１１４の生体温度を維持するため、超低温状態にある磁気センサ１１８と細胞組織１１４とは、十分な隔絶距離ｄを有して配置する必要がある。しかしながら、磁界の強度は、距離の２ないし３乗に比例して損出するため、高感度な磁気センサ１１８を使用しても前記隔絶距離ｄを確保する必要があるので、その高感度を生かした測定ができない。また、空間分解能は、磁気センサ１１８と細胞組織１１４との距離の２乗に比例して低下するため、細胞組織を対象とした計測において、その局所の状態を評価することは困難である。すなわち、磁気センサ１１８は細胞組織１１４から離れて計測を行なうため、細胞組織１１４の一部から部分的に発生する磁気信号であっても、細胞組織１１４の全体から発生する磁気信号が混合して検出されるので、その細胞組織１１４のうち磁気信号を発生する位置を検出することができない。

図７は、図６の検出装置を利用して検出された心筋培養細胞組織の自発性磁気活動であって、特許文献１にかかる発明の発明者らによって発表された論文（Tanaka, S, et. al.,、"Measurement of the signal from a cultured cell using a high-Tc SQUID"、Superconductor Science and Technology、2003年、第16巻、p. 1536-1539、Fig. 7）に記載された図である。図７に示されるように、ＳＱＵＩＤを利用した検出装置では、不整な自発性磁気活動波形のみが記録されている。

本発明は、以上の事情を背景として為されたもので、その目的とするところは、電気的興奮を発生する興奮性細胞を含んで構成される細胞組織において局所的に発生する磁気信号を検出する細胞組織磁気信号検出装置であって、細胞組織に対し非接触、非侵襲的に検出を行なうことのでき、かつ十分な空間分解能を有する細胞組織磁気信号検出装置を提供することにある。

かかる目的を達成するための請求項１にかかる発明は、（ａ）電気的興奮を発生する生体興奮性細胞を含んで構成される細胞組織において局所的に発生する活動電位に関連するイオン流動に基づく磁気信号を検出する細胞組織磁気信号検出方法であって、（ｂ）容器内に配置された生体細胞組織に０℃乃至４２℃に設定された温度範囲のイオン塑性浸透圧を有する生理的細胞外液を供給する細胞組織維持工程と、（ｃ）前記生体細胞組織へ１０００μｍ以内に近接可能な磁気インピーダンスセンサからなる第１磁気センサヘッド、および、前記生体細胞組織と該第１磁気センサヘッドとの距離よりも前記生体細胞組織との距離が長くなるように配設される磁気インピーダンスセンサからなる第２磁気センサヘッドを用い、該第１磁気センサヘッドおよび該第２磁気センサヘッドのそれぞれによって検出される磁気信号に基づいて環境磁場の影響を低減する環境磁場低減工程と、を有し、（ｅ）前記第１磁気センサヘッドと前記生体細胞組織との距離は、前記生体細胞組織によって発生する磁場を検出することができる距離とされ、（ｆ）前記第２磁気センサヘッドと前記生体細胞組織との距離は、前記第１磁気センサヘッドによる検出信号と前記第２磁気センサヘッドによる検出信号との差分の大きさが、前記磁気検出部におけるノイズレベルを上回ることができる距離とされ、（ｇ）０℃乃至４２℃の温度範囲において、１０００μｍ以下の分解能、磁気変動の振幅約５００乃至１０００ｐＴ、１ｎＴ以下のノイズレベル、および１ｍｓ以内の応答速度で、前記細胞組織維持工程及び前記環境磁場低減工程の実行下において前記生体細胞組織の前記磁気信号を検出する磁気信号検出工程、を備えること、を特徴とする。

請求項１にかかる発明によれば、前記磁気信号検出工程は、前記細胞組織が生体活動を行なう０℃乃至４２℃の温度範囲において、１０００μｍ以下の分解能、磁気変動の振幅約５００乃至１０００ｐＴ、１ｎＴ以下のノイズレベル、および１ｍｓ以内の応答速度で、前記細胞組織維持工程及び環境磁場低減工程の実行下において前記生体細胞組織の前記磁気信号を検出するので、前記細胞組織磁気信号検出方法は、前記興奮性細胞を含んで構成される生体細胞組織において局所的に発生する活動電位に関連するイオン流動に基づく磁気信号を、前記細胞組織に対し非接触、非侵襲的に、かつ、十分な空間分解能により検出することができる。

また、請求項１にかかる発明においては、前記生体細胞組織へ１０００μｍ以内に近接可能な磁気インピーダンスセンサからなる第１磁気センサヘッド、および、前記生体細胞組織と該第１磁気センサヘッドとの距離よりも前記生体細胞組織との距離が長くなるように配設される磁気インピーダンスセンサからなる第２磁気センサヘッド、からの出力信号を用い、前記第１磁気センサヘッドおよび前記第２磁気センサヘッドのそれぞれによって検出される磁気信号に基づいて環境磁場の影響を低減する環境磁場低減工程を有すること、を特徴とする。このようにすれば、前記環境磁場低減工程により、前記第１磁気センサヘッドおよび前記第２磁気センサヘッドのそれぞれによって検出される磁気信号に基づいて環境磁場の影響を低減することができるので、前述の効果に加え、細胞組織の発生する磁気信号を精度よく検出することができる。このとき、前記第１磁気センサヘッドと前記細胞組織との距離は、前記細胞組織によって発生する磁場を検出することができる距離とされ、前記第２磁気センサヘッドと前記細胞組織との距離は、前記第１磁気センサヘッドによる検出信号と前記第２磁気センサヘッドによる検出信号との差分の大きさが、前記磁気検出部におけるノイズレベルを上回ることができる距離とされているので、前記細胞組織から発生する磁気信号を十分な強度で検出しつつ、環境磁場の影響を相殺することができる。

好適には、前記磁気センサヘッドは、柱状磁性体を有することを特徴とする。このようにすれば、柱状磁性体を有する磁気センサヘッドにより、磁気信号の検出に必要な性能を有する磁気センサヘッドを提供することができるとともに所望の空間分解能を実現するために必要となる距離となるように測定対象となる細胞組織に近接させることができる。

また好適には、前記磁気センサヘッドは、平板状磁性体あるいは薄膜状磁性体を有すること、を特徴とする。このようにすれば、前記磁気センサヘッドは平板状磁性体あるいは薄膜状磁性体を有するので、磁気信号の検出に必要な性能を有する磁気センサヘッドを提供することができるとともに所望の空間分解能を実現するために必要となる距離となるように測定対象となる細胞組織に近接させることができる。

また好適には、前記磁気センサヘッドは、網状構造の磁性体を有すること、を特徴とする。このようにすれば、前記磁気センサヘッドは網状構造、例えばワイヤのマトリクスの磁性体を有するので、磁気信号の検出に必要な性能を有する磁気センサヘッドを提供することができるとともに所望の空間分解能を実現するために必要となる距離となるように測定対象となる細胞組織に近接させることができる。

また好適には、前記細胞組織磁気信号検出方法は、前記生体細胞組織に対し、少なくとも、機械的刺激、電磁波、熱、薬物のいずれか１を投与する刺激投与工程を有する。このようにすれば、前記刺激投与工程において、前記生体細胞組織に対し、少なくとも、機械的刺激、電磁波、熱、薬物のいずれか１が投与されるので、前記細胞組織磁気信号検出方法は、前記刺激投与部が投与した刺激による前記生体細胞組織の作用としての磁気信号を検出することができる。

また好適には、前記細胞組織磁気信号検出方法に用いられる前記容器と前記第１磁気センサヘッドとは、前記第１磁気センサヘッドと前記生体細胞組織との距離が前記生体細胞組織によって発生する磁場を検出することができる距離となるように固定されている。このようにすれば、前記磁気検出工程において、前記容器と第１磁気センサヘッドとが固定されることにより、前記第１磁気センサヘッドは前記生体細胞組織へ１０００μｍ以内に近接させられる一方で、前記第２磁気センサヘッドは、前記生体細胞組織との距離が、該第１磁気センサヘッドと前記生体細胞組織との距離よりも長くなるように配設されるので、磁気インピーダンスセンサである該第１磁気センサヘッドおよび第２磁気センサヘッドからの出力信号に基づいて、前記生体細胞組織が生体活動を行なう０℃乃至４２℃の温度範囲において、１０００μｍ以下の分解能、磁気変動の振幅約５００乃至１０００ｐＴ、１ｎＴ以下のノイズレベル、および１ｍｓ以内の応答速度で前記磁気信号を検出する。すなわち、前記細胞組織磁気信号検出方法は、前記興奮性細胞を含んで構成される生体細胞組織において局所的に発生する活動電位に基づく磁気信号を、前記生体細胞組織に対し非接触、非侵襲的に、かつ、十分な空間分解能により検出することができる。

様々な生体細胞組織を含んで構成される細胞組織のそれぞれにおける正常時の電位活動を示す図である。 ヒトｉＰＳ細胞から同時に発育してしまう様々な細胞組織を説明する図である。 実験槽の底面に設けた微小電極により細胞組織の活動電位を検出する技術の概要を説明する図である。 膜電位感応色素を利用して細胞組織における活動電位の変化を検出する技術の概要を説明する図である。 ＳＱＵＩＤセンサを用いて細胞組織の磁気信号を検出する技術の概要を説明する図である。 図５の手法において用いられるＳＱＵＩＤ装置の構成の概要を説明する図である。 ＳＱＵＩＤセンサを用いて心筋培養細胞組織が発生する磁気信号を検出した際の検出結果の一例を表わす図である。 本発明の細胞組織磁気信号検出装置の一例における装置の概要を説明する図である。 図８の細胞組織磁気信号検出装置における実験槽部の構成を詳細に説明する図である。 図８の細胞組織磁気信号検出装置におけるマニピュレータによって移動させられる実験槽の動きの一例を説明する図である。 図８の細胞組織磁気信号検出装置における磁気センサヘッドの構成の一例を説明する図である。 図８の細胞組織磁気信号検出装置における実験槽と第１磁気センサヘッド、および第２磁気センサヘッドとの位置関係を説明する図である。 図８の細胞組織磁気信号検出装置におけるコンピュータの有する機能の概要を説明する図である。 図８の細胞組織磁気信号検出装置によって得られる、平滑筋細胞組織標本の自発性磁気変動の時間変化を表わす図である。 図１４と同じ平滑筋細胞組織標本の自発性磁気変動の時間変化を表わす図であって、図１４と異なる温度における結果である。 平滑筋細胞組織標本に薬物を投与する前後における自発性磁気変動の時間変化を周波数スペクトルにより比較した図である。 平滑筋細胞組織標本の自発性磁気変動の時間変化と、細胞外電位変動の時間変化とを比較した図である。 本発明の細胞組織磁気信号検出装置により、ＥＳ細胞から誘導した腸管様細胞組織における、神経細胞の誘導の有無を検出する実験例を説明する図である。 本発明の細胞組織磁気信号検出装置の別の実施例であって、磁気センサヘッドの有する異なる形状のアモルファス素子を説明する図である。 本発明の細胞組織磁気信号検出装置のさらに別の実施例であって、磁気センサヘッドの有する異なる形状のアモルファス素子を説明する図である。 本発明の細胞組織磁気信号検出装置の応用例を説明する図であって、実験槽における心筋シートの例を説明する図である。 本発明の細胞組織磁気信号検出装置の応用例を説明する図であって、実験槽における複数種類の細胞組織の例を説明する図である。 本発明の細胞組織磁気信号検出装置の実験槽の別の形態を説明する図である。

１０：細胞組織磁気信号検出装置
１８、２０：磁気センサヘッド
１８：第１磁気センサヘッド
２０：第２磁気センサヘッド
２６：環境磁場相殺部
３０：磁気検出部
５０：細胞組織
７０：細胞組織維持部
７６：刺激投与部
８４：アモルファスワイヤ（柱状磁性体）
８８：平板状あるいは薄膜状磁性体
９０Ａ、９０Ｂ：網状構造の磁性体

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

図８は、本発明の一実施態様である細胞組織磁気信号検出装置１０の構成の概要を説明する図である。図８に示すように、細胞組織磁気信号検出装置１０は、実験槽部１４、２つの磁気センサヘッドである第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０、制御回路部２２などを含んで構成される。また、制御回路部２２から出力される検出結果としての磁気信号は、図８に示すように例えばＡ／Ｄ変換器３２によってデジタル変換処理が行なわれ、データ収録などに用いられるコンピュータ３４によって記録される。

このうち、実験槽部１４は、検出対象となる細胞組織５０を配置するための実験槽５６を含んで構成される。図９はこの実験槽部１４の構成を詳細に説明するための図である。実験槽５６は、板状のシリコン（シリコン板）５５に円筒状に貫通して設けられた孔と、前記シリコン板５５の下側に重ねるように設置された、例えば厚さ１００μｍ程度のカバーガラス５７によって構成される。すなわち、実験槽５６は、カバーガラス５７を底、シリコン板５５に円筒状に貫通して設けられた孔を壁面とする円筒状の容器である。

また、シリコン板５５はマニピュレータ５８に固定されており、マニピュレータ５８の動きに合わせてシリコン板５５、すなわちそのシリコン板５５に設けられた実験槽５６が移動するようにされている。このマニピュレータ５８は、マニピュレータ制御部６０からの制御信号に基づいて、例えばシリコン板５５の面方向に移動可能とされている。

図１０は、マニピュレータ５８によって移動させられる実験槽５６の動きの一例を説明する図である。図１０において矢印で示したように実験槽５６が移動させられる結果、実験槽５６の全領域にわたって実験槽５６の下方に固設された第１磁気センサヘッド１８（後述）により、その磁気信号を検出することができる。また、実験槽５６の特定の箇所の磁気信号を検出したい場合には、マニピュレータ５８の作動を制御することにより、その特定の箇所が第１磁気センサヘッド１８の上方に位置するように移動させればよい。

図９に戻って、実験槽５６には、細胞組織の生存状態を維持するため、０℃乃至４２℃の温度範囲で予め設定された温度のイオン組成浸透圧を有する生理的細胞外液が供給される。この生理的細胞外液（灌流液）は、灌流液流入チューブ６２から実験槽５６に供給される。また、実験槽５６中にある生理的細胞外液は、灌流液吸引チューブ６４を介して循環ポンプ６６によって吸引され、再び灌流液流入チューブ６２から実験槽５６に循環して供給される。また、この生理的細胞外液の循環の過程において恒温槽６８が設けられており、灌流液吸引チューブ６４により吸引された生理的細胞外液は、恒温槽６８により前記予め設定された温度に加熱もしくは冷却される。本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０の検出対象である興奮性細胞組織において、電気的活動はイオン輸送体の活性化によるイオン流動によって作り出される。従って細胞内外の水が固体となる０℃以下ではイオンが流動しない。また、４２℃以上においては、細胞はヒートショック蛋白を生成して機能が傷害され、不可逆的な変化が起こってしまう。そのため、生理的細胞外液の温度は、０℃乃至４２℃の温度範囲で予め設定された温度とされ、細胞組織の生存状態を維持し、恒常性を保つ。これらの、生理的細胞外液の循環のための構造、すなわち、灌流液流入チューブ６２、灌流液吸引チューブ６４、循環ポンプ６６、および恒温槽６８が細胞組織維持部７０に対応する。

刺激投与部７６は、実験槽５６に配置される細胞組織５０に対し、刺激を与えるものであって、本実施例においては薬剤供給部７４およびピペット７２を含んで構成される。ピペット７２は、図示しないマニピュレータにより移動させられる、あるいは所定の位置に固設され、実験層５６がマニピュレータ５８により移動させられるなどにより、実験槽５６における任意の位置に薬剤を滴下することができるようにされている。そして、移動させられた位置において薬剤供給部７４から供給される薬剤を滴下することにより、実験槽５６に配置された細胞組織５０の任意の部位に対し、刺激の一態様として薬剤を投与することができる。薬剤供給部７４は、例えば細胞組織磁気信号検出装置１０の検出対象である興奮性細胞組織に対し刺激となりうる薬剤が予め貯蔵されており、予め定められた所定量の薬剤をピペット７２に供給するようにされている。

なお、光学センサ７８、および光学信号検出装置８０は後述する別の実施例で用いられるものであるので、その説明は後述する。

図８に戻って、実験槽部１４は、例えばプラスチック製の容器１６によって周囲が覆われており、実験槽５６およびその実験槽５６に配置された細胞組織５０の周囲の温度（環境温度）が所望の温度に保持されるようにされている。なお、容器１６は磁気シールド（遮蔽）を行なわない物質によって構成される。また、好適には容器１６は透明な容器とされ、外部からの光の照射を行なったり、内部における蛍光の発生を外部に設けた光センサなどによって検出したりすることができるようにされてもよい。

第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０は、いずれも磁気信号を検出するためのセンサであって、たとえばそれぞれ超高感度ＭＩ（Ｍａｇｎｅｔｏ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）センサによって構成されている。図１１は、第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０（以下、これらを区別しない場合、「磁気センサヘッド１８、２０」という。）の構造の一例を説明する図である。図１１に示すように、磁気センサヘッド１８、２０は、柱状磁性体としてのアモルファスワイヤ８４と、アモルファスワイヤ８４と同心に巻き回された検出コイル８６を含んで構成されている。アモルファスワイヤ８４の両端には後述するセンサ駆動部２４（図８参照）によって発生される例えば３０ｋＨｚ以上などの高周波の交流電流が通電される。そして、アモルファスワイヤ８４が生ずる磁束により検出コイル８６に生ずる電圧が後述する磁気信号検出部２８によって検出される。ここで、アモルファスワイヤ８４は、通電される高周波電流が通電される際に例えば単位面積あたりの磁束密度が０．２ｎＴ乃至１ｎＴ程度の外部磁界が印加されると、磁気インピーダンス効果により、その両端のインピーダンスが大きく変化する。したがって、前記検出コイル８６の両端の電圧を検出し、検出される電圧に基づいてアモルファスワイヤ８４のインピーダンスの変化を検出することにより、アモルファスワイヤ８４に印加される外部磁界の変化を検出することができる。

また磁気センサヘッド１８、２０は、生体細胞組織が機能するとして前述の細胞組織維持部７０によって設定される０乃至４２℃の環境温度範囲で作動するものとされる。

また磁気センサヘッド１８、２０は、磁気変動に対して１ｍｓ以下の応答速度を有するものとされる。これは、生体に存在する神経、筋、内分泌細胞などの様々な電気的興奮性細胞が発生する活動電位の持続時間に基づくものである。すなわち、活動電位の持続時間が最も短い神経細胞でも、その活動電位持続時間は０．４乃至２ｍｓである（前述の非特許文献９参照）。従って、磁気変動に対する応答速度、すなわち磁気変化に反応するまでの応答時間が約１ｍｓ以下であれば、多くの種類の神経細胞の活動を測定・評価できるだけでなく、その他、筋や内分泌細胞など様々な電気的興奮性細胞の活動も測定・評価することができるためである。

図１２は、実験槽５６と第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０の構造と、それら第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０の相対的な位置を説明する図である。第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０は、前述のように柱状のアモルファスワイヤ８４と、そのアモルファスワイヤ８４と同心に円柱状に巻き回された検出コイル８６を含んで構成される。具体的には、本実施例においては図１２に示すように、第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０の有するアモルファスワイヤ８４の断面方向の直径は約２００μｍ、また、検出コイル８６の断面方向の半径は約５００μｍとされている。また、アモルファスワイヤ８４と検出コイルとの間は、中空とされても良いし、絶縁体によって充填されてもよい。ここで、磁気センサヘッド１８、２０の有するアモルファスワイヤ８４の長さｄは、細胞から第１磁気センサヘッド１８までの距離ｌ１以下とされる。このようにすることにより、電流が流れるとａｍｐｅｒｅの法則により距離に反比例した大きさの磁界が発生するので、細胞から第１磁気センサヘッド１８までの距離ｄ１程度の高い空間分解能、例えば１０００μｍの分解能が得られる。さらに、磁気センサヘッド１８、２０は、細胞組織５０によって発生する磁気信号を１ｎＴ以下のノイズレベルで測定するように、そのアモルファスワイヤ８４の形状、大きさ、および検出コイル８６の形状、大きさ、巻き数等が設定されている。

また、図１２に示すように、第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０は、実験槽５６の下方において同一の鉛直軸上に、両者が平行となるように、例えば第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０のアモルファスワイヤ８４の軸方向がいずれも平行となるように位置させられる。本実施例においては、第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０のアモルファスワイヤ８４の軸方向が、いずれも実験槽５６の底面と平行、すなわち水平となるように第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０が配設されており、図示しないセンサヘッド保持具などにより保持されている。第１磁気センサヘッド１８と細胞組織５０との距離ｄ１は、第２磁気センサヘッド２０と細胞組織５０との距離ｄ２よりも短くなるように、すなわち、図１２においては、第２磁気センサヘッド２０は、第１磁気センサヘッド１８よりも下方に位置させられる。なお、第１磁気センサヘッド１８と細胞組織５０との距離ｄ１は、第１磁気センサヘッド１８において磁気を検知する部分の中心と細胞組織５０の下面との距離として定義される。すなわち本実施例の図１２のように、第１磁気センサヘッド１８が柱状のアモルファスワイヤ８４を有し、その軸が実験槽５６の底面と平行である場合には、アモルファスワイヤ８４の軸と実験槽５６の底面、すなわち細胞組織５０の下面との距離である。磁気センサヘッドと細胞組織との距離は、第２磁気センサヘッド２０、あるいは他の実施例における磁気センサヘッドについても同様に定義される。

ここで、第１磁気センサヘッド１８と細胞組織５０との距離ｄ１は、細胞組織５０によって発生する磁場を検出することができる距離、具体的には例えば１ｍｍ以下とされている。一方、第２磁気センサヘッド２０と細胞組織５０との距離ｄ２は、後述する環境磁場相殺部２６によって算出される第１磁気センサヘッド１８による検出信号と第２磁気センサヘッド２０による検出信号との差分の大きさが、後述する磁気検出部３０におけるノイズレベルを上回ることのできる距離とされればよい。具体的には例えば、細胞組織５０によって発生する磁場は第１磁気センサヘッド１８によってのみ検出され、また、実験槽５６の周囲における磁場、すなわち環境磁場は第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０の両方によって検出されるようにすればよい。図１２においては、実験槽５６の底としてシリコン板５５に設置されたカバーガラス５７の厚さが１００μｍであり、第１磁気センサヘッド１８は、その検出コイル８６の上端とカバーガラス５７の下面との距離が３００μｍとなるように設置されている。また、前述のように、検出コイル８６の断面における半径は５００μｍであるので、第１磁気センサヘッド１８と細胞組織５０との距離ｄ１は、前記細胞組織５０によって発生する磁場を検出することができる距離である１ｍｍを下回る９００μｍとされている。

なお、磁気センサヘッド１８、２０のノイズレベルの許容量は、検出対象とされる細胞組織５０が発生する磁場の強さ、例えば磁束密度に基づいて設定される。例えば、細胞組織５０の活動電位に伴い発生する磁気変動の振幅が、約５００乃至１０００ｐＴである場合には、細胞組織５０へ１０００μｍ以内に近接させることができる磁気センサヘッド１８、２０（特に、第１磁気センサヘッド１８）のノイズレベルが１０００ｐＴ以下であれば、細胞組織５０の機能を評価する目的に使用することができる。

図８に戻って、制御回路部２２は、磁気センサヘッド１８、２０を駆動し、また、これらの磁気センサヘッド１８、２０によって検出される信号を取り出すとともに、所定の処理を行ない、細胞組織５０によって発生する磁界（磁気信号）に対応する信号のみを取り出す。この制御回路部２２は、例えばアナログ回路によって構成されており、センサ駆動部２４、環境磁場相殺部２６、磁気信号検出部２８を機能的に含んで構成される。

センサ駆動部２４は、高周波の交流電流を発生し、第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０のそれぞれのアモルファスワイヤ８４に通電する。この高周波の交流電流の周波数および電流は、第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０のアモルファスワイヤ８４が磁気インピーダンス現象を生ずることができる値とされる。本実施例においては例えば、非特許文献１０に記載されているように、センサ駆動部２４はＣＭＯＳインバータ内蔵ＩＣをタイマー回路として利用して３３μｓ間隔でパルスを発生するので、前記アモルファスワイヤ８４が磁気インピーダンス現象を生ずるとともに、磁気変化への応答の最短時間はこの３３μｓとなるので、細胞組織５０による活動を十分に測定できる。

環境磁場相殺部２６は、第１磁気センサヘッド１８の検出コイル８６によって検出される電圧と、第２磁気センサヘッド２０の検出コイル８６によって検出される電圧とに基づいて、環境磁場の影響を低減する。本実施例においては前述のように、細胞組織５０によって発生する磁場は第１磁気センサヘッド１８のみによって検出され、環境磁場は第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０によって検出されるよう第１磁気センサヘッド１８および第２磁気センサヘッド２０が配設されている。従って、第１磁気センサヘッド１８によって検出される電圧から、第２磁気センサヘッド１８の検出コイル８６によって検出される電圧を減ずることにより、環境磁場の影響を低減することができる。このとき、第１磁気センサヘッド１８と細胞組織５０との距離ｄ１は、細胞組織５０によって発生する磁場を検出することができる距離とされ、第２磁気センサヘッド２０と細胞組織５０との距離ｄ２は、後述する環境磁場相殺部２６によって算出される第１磁気センサヘッド１８による検出信号と第２磁気センサヘッド２０による検出信号との差分の大きさが、後述する磁気検出部３０におけるノイズレベルを上回ることのできる距離とされるので、第１磁気センサヘッド１８によって検出される電圧と第２磁気センサヘッド１８の検出コイル８６によって検出される電圧との差分に基づいて、細胞組織５０によって発生する磁場に対応する電圧を検出することができる。

磁気信号検出部２８は、環境磁場相殺部２６によって環境磁場の影響が低減されるように算出される、細胞組織５０によって発生する磁場に対応する電圧に基づいて、前記細胞組織５０によって発生する磁界の強度を、例えば磁束密度などにより算出する。

このように、第１磁気センサヘッド１８、第２磁気センサヘッド２０、および制御回路部２２によって、細胞組織５０によって発生する磁界の強度が得られるので、これら全体を総じて磁気検出部３０とみなすことができる。

Ａ／Ｄ変換部３２は、例えば１６ビットや３２ビットなどのＡ／Ｄ変換器であって、制御回路部２２の磁気信号検出部２８により生成される細胞組織５０によって発生する磁界の強度の時間変化をデジタルデータ化して、後述するコンピュータに入力する。なお、Ａ／Ｄ変換部３２の分解能は、前述の１６ビットや３２ビットなどに限定されず、磁気センサヘッド１８、２０の分解能に応じて適宜変更することができる。

コンピュータ３４は、例えばＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェース等を備えた所謂マイクロコンピュータを含んで構成されており、ＣＰＵはＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつ予めＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って信号処理を行うことにより、制御回路部２２によって出力され、Ａ／Ｄ変換部３２によってデジタルデータ化される細胞組織５０によって発生する磁界の変化についての情報を処理する。

図１３は、コンピュータ３４の有する機能の一例を説明する機能ブロック図である。電子制御装置（ＣＰＵ）３６は、信号処理部４０を有する。この信号処理部４０は、制御回路部２２によって出力され、Ａ／Ｄ変換部３２によってデジタルデータ化される細胞組織５０によって発生する磁界の変化についての情報を、予め記憶されたプログラムや、キーボードなどの入力部４６を介した操作者による出力などに応じて処理する。また、前記信号処理部４０は必要に応じて、入力信号である磁界の変化についての情報に対し、例えばＦＦＴ（高速フーリエ変換）やＩＦＴ（逆高速フーリエ変換）などの処理を行なうことにより、特定の範囲の周波数を強調したり、あるいは除去するなどのフィルタリングを行なう。例えば、前記磁界の変化についての情報をメモリやハードディスクなどの記憶部４２に記憶したり、あるいは前記磁界の変化についての情報を、ディスプレイ装置などの出力部４４の表示領域に時間経過に対する変化として図示したりする。

以下、本実施例の細胞組織磁気信号検出装置１０を用いた実験例について説明する。
（実験例１）
モルモットの膀胱から摘出した平滑筋細胞組織標本を細胞組織５０として実験槽５６中に配置し、マニピュレータ５８を操作することにより磁気センサヘッド１８、２０を細胞組織５０の下に位置させることにより、細胞組織５０の局所の磁気変動を計測した。

細胞組織維持部７０の恒温槽６８を制御し、実験槽５６に供給される細胞外液の液温を調整するなどによって、実験槽５６中の細胞外液の液温を約３７℃の正常体温環境下に保ったとき、コンピュータ３４により、細胞組織５０が発生する磁界の時刻変化として、図１４に示される図が得られる。この図１４は、自発性の磁気変動現象を表わすものある。自発性磁気変動の振幅は５００乃至１０００ｐＴであった。

一方、実験槽５６中の細胞外液温を約２７℃に低下させると、コンピュータ３４により、細胞組織５０が発生する磁界の時刻変化として、図１５に示される図が得られる。この図１５は、細胞組織５０における自発性磁気変動が停止したことを表わしている。

図１４及び図１５に示す実験例は、同一の平滑筋細胞組織標本を用いて、連続的に行われた局所磁気計測である。本実験例に用いた平滑筋細胞組織標本は、温度依存性に自発性電位活動を行うことが、よく知られている。すなわち、本実施例によれば、図１４及び図１５に示されるように、自発性磁気変動の発生とその停止による磁界の変化を、細胞組織から発生される局所磁気変動として検出したことを示している。

（実験例２）
本実験例２においては、前述の実験例１と同様に、興奮性細胞組織の一例である平滑筋細胞組織標本を細胞組織５０として実験槽５６中に配置し、マニピュレータ５８を操作することにより磁気センサヘッド１８、２０を細胞組織５０の下に位置させ、実験槽５６中の細胞外液の液温を約３７℃の正常体温環境下に保つ。そして、磁気センサヘッド１８、２０の上方に位置する細胞組織５０の一部分に対し、刺激投与部７６により、電気的興奮を活発化する薬物であるテトラエチルアンモニウムを投与し、その投与の前後における細胞組織５０の局所の磁気変動を計測した。

前記テトラエチルアンモニウムの投与の前後において、それぞれ所定時間だけ磁気変動の時間変化の検出を行ない、得られる波形を０．１Ｈｚごとの周波数スペクトルに変換した結果を示したのが図１６である。図１６においては、テトラエチルアンモニウム（薬剤）の投与前における周波数スペクトルは三角形のプロットで、薬剤の投与後における周波数スペクトルは丸のプロットで、それぞれ表わされている。

薬物の投与の前後のそれぞれにおける周波数スペクトルを比較すると、薬物投与後において、０．４Ｈｚ付近の周波数成分の増加が認められた。これは平滑筋細胞組織標本の自発性興奮が活発化したことに対応するものである。

前述の薬物投与により増加した周波数成分、すなわち０．４Ｈｚ前後の周波数成分は、平滑筋細胞組織標本の自発性の電気的興奮に関する研究（〔非特許文献８〕）などに記述される、正常温度での平滑筋細胞組織標本の自発性電気興奮活動の周波数範囲と一致する。

本実験例２によれば、図１６に示すように、細胞組織への薬物投与の効果を、本実施例の細胞組織磁気信号検出装置１０により検出される細胞組織５０が発生する磁気信号に基づいて、その磁気変動の時間変化の波形を周波数解析することなどによりを正確に評価できる。

（実験例３）
本実験例３においては、前述の実験例１と同様に、興奮性細胞組織の一例である平滑筋細胞組織標本を細胞組織５０として実験槽５６中に配置し、マニピュレータ５８を操作することにより磁気センサヘッド１８、２０を細胞組織５０の下に位置させ、実験槽５６中の細胞外液の液温を約３７℃の正常体温環境下に保ち、細胞組織５０の局所の磁気変動を計測した。このときコンピュータ３４により、細胞組織５０が発生する磁界の時刻変化として、図１７（ａ）に示される図が得られる。

一方、この図１７（ａ）の磁界の時刻変化を測定した場合と同様の細胞外液組成と液温の条件下において、同種の平滑筋細胞組織の自発性電気活動（細胞外電位変動）を細胞外電極を使用して記録し、その時間変化を図１７（ｂ）を得た。図１７は、（ａ）磁界の時刻変化と、（ｂ）電位の時刻変化とを、横軸を時間として表わした図である。なお、興奮性細胞組織において、細胞内電位の時間変化は、細胞外電位の時間変化の微分値に近いものとなることが知られている。

本実験例３によれば、図１７に示すように、本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０によって検出される前記平滑筋細胞組織の磁界の変化と、従来からの手法により検出される前記平滑筋細胞組織の電位の変化とは、極めて類似した波形となる。細胞組織において、イオン輸送体によって発生する局所のイオン流動により、細胞外電位が変動し、同時に磁場変動を発生させるという事実に鑑みると本発明の細胞組織磁気検出装置１０は、電気的興奮を発生する興奮性細胞を含んで構成される細胞組織の局所磁気変動を検出するに適切な装置であることがわかる。

（実験例４）
図１８は、本実施例の細胞組織磁気信号検出装置１０のさらに別の実験例を説明する図である。本実験例においては、検出対象となる細胞組織５０として、ＥＳ細胞から誘導した腸管様細胞組織であって、さらに神経細胞の誘導が行われている細胞組織が用いられる。この細胞組織については、本願発明の発明者らによって発表された非特許文献７に開示されている。図１８において細胞組織５０の特定の箇所、例えば点線で囲んだ部分について、本実施例の細胞組織磁気検出装置１０によって検出される局所的な磁気変動に基づいて、神経細胞の誘導の有無を検出することができる。

ところで、非特許文献７に開示のように、Ｃａ（カルシウム）感受性光プローブを用いて、細胞組織５０内で神経細胞の誘導の有無を調べることができる。具体的には、神経細胞を刺激するための電気刺激を行い、細胞組織５０内の特定の箇所、例えば図１８の点線で囲んだ部分において、細胞内Ｃａの増加が観察されたことが神経細胞誘導の指標となる。図１８において、右上に示されたグラフが、電気刺激の前後における細胞内Ｃａの濃度の時間変化を表わす。この細胞内Ｃａの濃度は、細胞組織５０における光強度比によって評価される。この光強度比は、静止状態、すなわち刺激を与えない状態の光強度を１として、検出される光強度を表わした数値である。前記非特許文献７においては、細胞内Ｃａの濃度を測定する実験を行なった後、細胞組織５０をパラホルムアルデヒド固定し、さらに神経マーカで染色することによって、神経細胞群が誘導されたことを確認している。図１８における左上の写真は誘導された神経細胞が神経マーカにより染色された様子を表わしている。このように、前記非特許文献７には、神経細胞の誘導の有無を細胞内Ｃａの増加に基づいて判断する技術が開示されている。

しかしながら、このような手順を踏んでいては手間がかかる上、細胞を固定するため、細胞組織を構成する細胞を細胞死させてしまうので、この後の神経細胞の成長を連続的に観察できない。また、Ｃａ濃度の変化は変動の速度が遅く、神経活動の一つ一つに対応して発生する電位に応答した変化を検出することは困難である。

一方、本実験例４に示したように、本実施例の細胞組織磁気検出装置１０によられる細胞組織の磁界変動は、先の図１７などにおいて説明したように、神経細胞内電位に近い磁気変動が記録できる、すなわち、応答速度が十分早いので、細胞組織磁気検出装置１０によって得られる細胞組織の磁気変動の検出結果に基づいて、神経細胞の誘導の有無を判断することができる。

前述の実施例によれば、前記磁気検出部３０は、前記細胞組織へ１０００μｍ以内に近接可能な磁気センサヘッド１８、２０を備え、該磁気センサヘッドからの出力信号に基づいて、１０００μｍ以下の分解能、１ｎＴ以下のノイズレベル、および１ｍｓ以内の応答速度で磁気信号を検出するので、本実施例の細胞組織磁気信号検出装置１０は、前記興奮性細胞を含んで構成される細胞組織５０においてその電気的な活動に基づいて局所的に発生する磁気信号を、前記細胞組織５０に対し非接触、非侵襲的に、かつ、十分な空間分解能により検出することができ、細胞組織の一部分から発生している磁気信号をその部分を特定しつつ検出することができる。

また、前述の実施例によれば、前記磁気検出部３０は、第１磁気センサヘッド１８と、前記細胞組織５０と該第１磁気センサヘッド１８との距離よりも前記細胞組織５０との距離が長くなるように配設される第２磁気センサヘッド２０と、を有し、（ｂ）該第１磁気センサヘッド１８および該第２磁気センサヘッド２０のそれぞれによって検出される磁気信号に基づいて環境磁場の影響を低減する環境磁場相殺部２６と、をさらに有するので、前記環境磁場相殺部２６により、該第１磁気センサヘッド１８および該第２磁気センサヘッド２０のそれぞれによって検出される磁気信号に基づいて環境磁場の影響を低減することができるので、前述の効果に加え、細胞組織５０の発生する磁気信号を精度よく検出することができる。

また、前述の実施例によれば、前記磁気センサヘッド１８、２０は、柱状磁性体であるアモルファスワイヤ８４を有するので、磁気信号の検出に必要な性能を有する磁気センサヘッドを提供することができるとともに所望の空間分解能を実現するために必要となる距離となるように測定対象となる細胞組織に近接させることができる。

また、前述の実施例によれば、前記細胞組織磁気信号検出装置１０は、前記細胞組織５０に対し、少なくとも、機械的刺激、電磁波、熱、薬物のいずれか１を投与する刺激投与部７６を有するので、刺激投与部７６により、前記細胞組織５０に対し、少なくとも、機械的刺激、電磁波、熱、薬物のいずれか１が投与され、前記細胞組織磁気信号検出装置１０は、前記刺激投与部７６が投与した刺激による前記細胞組織５０の作用としての磁気信号を検出することができる。

また、前述の実施例によれば、細胞組織磁気信号検出装置１０は、前記細胞組織５０に対し、０℃から４２℃までの温度範囲において、イオン組成浸透圧を有する生理的細胞外液を供給し、該細胞組織の生存状態を維持する細胞組織維持部７０を有するので、細胞組織維持部７０により、前記細胞組織５０に対し、０℃から４２℃までの温度範囲において、イオン組成浸透圧を有する生理的細胞外液が供給され、細胞組織磁気信号検出装置１０は生存状態の細胞組織５０により生ずる磁気信号を検出することができる。

また、前述の実施例によれば、細胞組織磁気信号検出装置１０は、ＳＱＵＩＤを利用した装置と比べ液体窒素容器１１９などの冷却に関する設備が不要であるので、安価に供給することが可能であり、また、小型のものとすることができる。

続いて、本発明の別の実施例について説明する。以下の説明において、実施例相互に共通する部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例は、磁気センサヘッド１８、２０の構造に関するものである。前述の実施例においては、磁気センサヘッド１８、２０は前述の図１１に示す構造、すなわち、柱状のアモルファスワイヤ８４と、そのアモルファスワイヤ８４と同軸となるように巻き回された円柱状の検出コイル８６とを含んで構成された。そして、アモルファスワイヤ８４に所定の高周波の交流電流が通電されるとともに、検出コイル８６の両端の電圧を検出した。しかしながら、磁気インピーダンス現象は、アモルファスワイヤ８４に高周波交流電流が通電された場合に、アモルファスワイヤ８４の周囲の磁界の変化に応じてアモルファスワイヤ８４そのもののインピーダンスが変化する現象である。すなわち、アモルファスワイヤ８４のインピーダンス、もしくはアモルファスワイヤ８４のインピーダンスと一対一の関係にある値が検出できれば、アモルファスワイヤ８４の周囲の磁界の強度を検出することができる。

そこで、本実施例においては、磁気センサヘッド１８、２０は検出コイル８６を有さない構造とされる。そして、センサ駆動部２４により発生される高周波交流電流がアモルファスワイヤ８４に通電されるとともに、そのアモルファスワイヤ８４の両端の電圧が制御回路部２２によって検出される。このようにすれば、信号処理部２２において、検出されるアモルファスワイヤの両端の電圧と、センサ駆動部２４により発生される高周波交流電流の大きさに基づいてアモルファスワイヤ８４のインピーダンスが算出することができる。

前述の実施例によれば、磁気センサヘッド１８、２０は検出コイルを有せずに構成されるので、アモルファスワイヤ８４を検出対象である細胞組織５０へ一層近接させることができる。一般に磁界の強さは距離の２乗に比例して弱まるので、磁気センサヘッド１８、２０を細胞組織５０に近接させることにより、細胞組織磁気信号検出装置１０の検出精度を向上できる。

本実施例も、磁気センサヘッド１８、２０の構造に関するものである。前述の実施例に示したように、磁気センサヘッド１８、２０は、アモルファスワイヤ８４のインピーダンス、もしくはアモルファスワイヤ８４のインピーダンスと一対一の関係にある値が検出できれば、検出コイル８６を有する必要がなく、アモルファスワイヤ８４の周囲の磁界の強度を検出することができる。

本実施例においては、前述の実施例２と同様に磁気センサヘッド１８、２０は検出コイル８６を有さない。一方、前述の実施例２においては、磁気センサヘッド１８、２０の有するアモルファス素子は、柱状のアモルファスワイヤ８４であったが、本実施例においては、平板状、もしくは薄膜状のアモルファス素子８８が用いられる。このアモルファス素子８８は例えば図１９に示すように長方形などの形状とされ（非特許文献１１）、その対角となる頂点に設けられた電極を介して、センサ駆動部２４により発生される高周波交流電流が通電され、そのアモルファス素子８８の両端の電圧が制御回路部２２によって検出される。このようにすれば、信号処理部２２において、検出されるアモルファスワイヤの両端の電圧と、センサ駆動部２４により発生される高周波交流電流の大きさに基づいてアモルファス素子８８のインピーダンスが算出することができる。本実施例における薄膜状のアモルファス素子８８は、例えば、スパッタ薄膜とされる。

前述の実施例によれば、磁気センサヘッド１８、２０は、平板状磁性体あるいは薄膜状磁性体からなるアモルファス素子８８を有するので、表面積が前述の実施例のアモルファスワイヤ８４に比べて大きくなり、交流電流を通電した際の表皮効果を強めることができる。したがって、磁気信号の検出に必要な性能を有する磁気センサヘッド１８、２０を提供することができる。また、所望の空間分解能を実現するために必要となる距離となるように測定対象となる細胞組織５０に近接させることができる。

本実施例は、磁気センサヘッド１８、２０の構造に関するものであって、より高い空間分解能を有する磁気センサヘッド１８、２０の構造に関するものである。

図２０は、本実施例における磁気センサヘッド１８、２０の構造を説明する図である。図２０に示すように、磁気センサヘッド１８、２０は、等間隔に平行に配設された複数のアモルファスワイヤ９０からなるアモルファスワイヤ組９０Ａと、アモルファスワイヤ組９０Ａを構成するアモルファスワイヤ９０と一定の角度を有するように等間隔に平行に配設された複数のアモルファスワイヤ９０からなるアモルファスワイヤ組９０Ｂとによって網状構造（格子状構造；マトリクス構造）の磁性体を有する。本実施例においては図２０に示すように、アモルファスワイヤ組９０Ａを構成するアモルファスワイヤ９０のそれぞれと、アモルファスワイヤ組９０Ｂを構成するアモルファスワイヤ９０のそれぞれとは直交するように配設されている。

センサ駆動部２４は、前記アモルファスワイヤ組９０Ａおよびアモルファスワイヤ組９０Ｂを構成するアモルファスワイヤ９０のそれぞれに対し高周波交流電流が通電され、そのアモルファスワイヤ９０のそれぞれの両端の電圧が制御回路部２２によって検出される。このようにすれば、信号処理部２２において、検出されるアモルファスワイヤの両端の電圧と、センサ駆動部２４により発生される高周波交流電流の大きさに基づいてアモルファスワイヤ８４のインピーダンスが算出することができる。なお、図２０においては、アモルファスワイヤ組９０Ａを構成するアモルファスワイヤ９０のそれぞれと制御回路部２２との結線例のみが図示されており、アモルファスワイヤ組９０Ｂを構成するアモルファスワイヤ９０のそれぞれと制御回路部２２との結線例は省略されている。

このようにすれば、アモルファスワイヤ組９０Ａを構成するアモルファスワイヤ９０のいずれかと、アモルファスワイヤ組９０Ｂを構成するアモルファスワイヤ９０のいずれかとの組み合わせによって、それらのアモルファスワイヤの交点により前記網状構造の磁気センサヘッド１８、２０における位置を特定できることから、本実施例の磁気センサヘッド１８、２０はより高い空間分解能を有する。具体的には例えば、図２０に示すように２０μｍのアモルファスワイヤを８０μｍ間隔で配置する場合、１００μｍの空間分解能が得られる。

前述の実施例によれば、磁気センサヘッド１８、２０は、網状構造の磁性体、具体的には複数のアモルファスワイヤ９０によってマトリクス状に構成される磁性体を有するので、磁気信号の検出に必要な性能を有する磁気センサヘッド１８、２０を提供することができるとともに所望の空間分解能を実現するために必要となる距離となるように測定対象となる細胞組織に近接させることができる。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。例えば、次に示す応用例に組み込んで実施することができる。

（応用例１）
図２１は、本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０を用いた応用例の一つを説明する図であって、細胞組織磁気信号検出装置１０の実験槽５６に配置された細胞組織５０を表わしている。この応用例１は、本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０によって検出される細胞組織の発生する磁気信号に基づいて、一の細胞組織中に部分的に存在する複数種類の細胞組織部位の位置を同定するものである。図２１において、細胞組織５０は、前述の万能細胞や幹細胞によって構成されるシート状の細胞組織の一例である心筋シートである。培養された心筋シートは、いつも同じ性質のものが得られる訳ではなく、また、培養された心筋シートの中には、複数種類の性質の異なる部位が存在する可能性がある。例えば図１９の細胞組織５０（心筋シート）には、ペースメーカ細胞様自発性活動部位である部位Ａ（５０Ａ）、正常心室筋細胞組織部位である部位Ｂ（５０Ｂ）、不整脈発生部位である部位Ｃ（５０Ｃ）の３種類の部位が図示されている。このように個々に性質が異なる可能性があったり、あるいは複数種類の性質の異なる部位が存在する細胞組織を評価する際には、空間分解能を有する評価技術が必要とされる。

本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０により、実験槽５６に設置された細胞組織５０としての心筋シートの全体にわたって磁気センサヘッド１８、２０の分解能などに基づいて定められる所定の間隔ごとに、それぞれ例えば予め定められた所定時間ずつ、局所的な磁界変化を検出する。この検出された磁界変化は、コンピュータ３４に入力される。一方、コンピュータの記憶部４２（図１３参照）には、心筋シートに存在しうる部位ごとにその部位が発生する磁界変化の見本パターンが、予め実験的に得ておくなどにより、記憶されている。そして、コンピュータの電子制御装置３６によって機能的に実現される信号処理部４０により、例えば公知のパターンマッチングなどの手法により、検出された細胞組織５０の局所的な磁界変化のそれぞれについて、記憶部４２に記憶された前記見本パターンとの比較が行なわれる。前記局所的な磁界変化と前記見本パターンとが所定の類似度を上回って類似する場合には、前記局所的な磁界変化を検出した位置に、前記見本パターンに対応する部位が存在していると判断する。これを繰り返すことにより、前記細胞組織５０のいずれの位置に、いずれの部位が存在しているか、具体的には、細胞組織５０としての心筋シートにおいて、部位Ａ（５０Ａ）、部位Ｂ（５０Ｂ）、および部位Ｃ（５０Ｃ）の分布を同定することができる。

このようにすれば、前記細胞組織５０のいずれの位置に、いずれの部位が存在しているか、具体的には、細胞組織５０としての心筋シートにおいて、部位Ａ（５０Ａ）、部位Ｂ（５０Ｂ）、および部位Ｃ（５０Ｃ）の分布を同定することができるので、細胞組織５０としての心筋シートにおいてどの程度が心筋細胞として機能するように分化誘導に成功したかや、心筋シートとして望ましくない部位である部位Ｃ（５０Ｃ；不整脈発生部位）がどの程度発生しているかを、本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０によって検出される細胞組織５０の局所的な磁気変動に基づいて、定量的に評価することができる。とくに、本応用例によれば、細胞組織５０の評価は、非侵襲的に行なわれるので、例えば細胞組織５０の培養中（生存中）においてその評価を行なうことができ、評価後に培養を継続することができる。

（応用例２）
図２２は、本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０を用いた別の応用例を説明する図であって、細胞組織磁気信号検出装置１０の実験槽５６に配置された複数種類の細胞組織５１、５２、５３を表わしている。この応用例２は、本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０によって検出される細胞組織５１乃至５３の発生する磁気信号に基づいて、複数種類の細胞組織５１乃至５３の種類を同定するものである。図２２において、細胞組織５１乃至５３は、前述のｉＰＳ細胞やＥＳ細胞などの万能細胞や幹細胞を培養した結果、生育する細胞組織である。例えば、図２２においては、細胞組織５１は神経組織、細胞組織５２は筋組織、細胞組織５３は内分泌組織であり、これらはいずれも異なる磁気変動を発生する。

実験槽５６にある細胞組織５１乃至５３のそれぞれについて、前述の応用例１と同様に、本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０により、磁気センサヘッド１８、２０の分解能などに基づいて定められる所定の間隔ごとに、それぞれ例えば予め定められた所定時間ずつ、局所的な磁界変化を検出する。この検出された磁界変化は、コンピュータ３４に入力される。一方、コンピュータの記憶部４２（図１３参照）には、細胞組織ごとに、その細胞組織の発生する磁界変化の見本パターンが、予め実験的に得ておくなどにより、記憶されている。そして、コンピュータの電子制御装置３６によって機能的に実現される信号処理部４０により、例えば公知のパターンマッチングなどの手法により、検出された細胞組織５１乃至５３のいずれかの局所的な磁界変化のそれぞれについて、記憶部４２に記憶された前記見本パターンとの比較が行なわれる。前記局所的な磁界変化と前記見本パターンとが所定の類似度を上回って類似する場合には、前記局所的な磁界変化を検出した位置にある細胞組織を、前記見本パターンに対応する細胞組織であると判断する。これを、実験槽５６にある細胞組織５１乃至５３のうち、その種類を同定した細胞組織について実行することにより、細胞組織の分類を行なうことができる。

このようにすれば、実験槽５６にある細胞組織５１乃至５３のそれぞれについて、どのような種類の細胞組織であるか、具体的には図２２の例においては、神経組織であるか、筋組織であるか、内分泌組織であるかなどの分類を行なうことができるので、ｉＰＳ細胞やＥＳ細胞などの成長により生育した細胞組織の分類を、本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０によって検出される細胞組織の局所的な磁気変動に基づいて行なうことができる。とくに、本応用例によれば、細胞組織５１乃至５３の評価は、非侵襲的に行なわれるので、例えば細胞組織５１乃至５３の培養中（生存中）においてその評価を行なうことができ、評価後に培養を継続することができる。

また、前述の実施例において、センサ駆動部２４は、所定の周波数の高周波交流電流を発生するアナログ回路であるとされたが、コルピッツ回路などの発振回路が用いられてもよい。例えば、前記非特許文献１１に記載されているように、コルピッツ回路を用いることで、磁気センサヘッド１８、２０の感度を向上させることができる。

前述の実施例においては、薬剤供給部７４は、ピペット７２を介して実験槽５６に薬剤を供給したが、このような態様に限られない。例えば、細胞組織維持部７０により供給される生理的細胞外液に薬剤を混入させるようにしてもよい。この場合、細胞組織維持部７０は刺激投与部７６としても機能する。

前述の実施例においては、刺激投与部７６は細胞組織５０に作用させる為の薬剤を供給する薬剤供給部７４およびその薬剤供給部７４により供給される薬剤を実験槽５６に滴下するピペット７２により構成された。すなわち、刺激投与部７６が細胞組織５０に与える刺激は薬剤であったが、これに限られない。具体的には、刺激投与部７６が細胞組織５０に与える刺激は、機械的刺激、電磁波、熱などであってもよく、その場合、刺激投与部７６は、それぞれの刺激に対応した機器により構成される。例えば、刺激投与部７６が細胞組織５０に与える刺激が機械的刺激である場合には、刺激投与部７６は振動装置などであればよく、また、細胞組織５０に与える刺激が電磁波である場合には、刺激投与部７６は電極や磁極であればよい。また、細胞組織５０に与える刺激が熱である場合には、刺激投与部７６は局所的に冷却もしくは加熱が可能な冷却装置もしくは加熱装置であればよい。さらに、刺激投与部７６による刺激の投与に代えて、検出対象となる細胞組織５０を構成する細胞に対し、遺伝子導入を行なうようにしてもよい。この用にすれば、例えばイオンチャネルなどの電流を発生するタンパクの遺伝子、またはこのようなタンパクを制御する作用を有する遺伝子を前記細胞に導入することによる、細胞組織５０によって発生する磁界の強度の変化を検出することにより、前記遺伝子導入による効果を検出することができる。

前述の実施例においては、細胞組織磁気信号検出装置１０における実験槽５６は、細胞組織が設置されるものとされたが、これに限られず、例えば細胞組織の培養容器がそのまま実験槽５６として用いられることも可能である。このようにすれば、培養途中の細胞組織を検出対象として、磁気信号の検出を行なうことができる。

また前述の実施例においては、容器１６は保温のために用いられたが、容器１６の用途はこれに限られない。具体的には例えば、容器内の環境を制御する環境制御部を設け、容器１６内の温度のみならず、湿度、二酸化炭素濃度などの空気の構成を変化させることができる。このようにすれば、前述のように細胞組織の培養容器が実験槽５６として用いられる場合に、細胞組織の培養条件を異ならせた場合に、長期間の培養過程において細胞組織の局所的な磁気変動を検出することができる。

また前述の実施例においては、磁気センサヘッド１８、２０は、実験槽５６の下方にカバーガラス５７を介して設置されたが、このような態様に限られない。例えば、厚さ１００μｍ以下の薄膜で磁気センサヘッド１８、２０を覆い、実験槽５６の上方から細胞組織５０へ近接させて、細胞組織５０の局所的磁気変化を計測することも可能である。

細胞組織磁気信号検出装置１０は、前述の実施例における構成に加え、図９に示す光学センサ７８、および光学信号検出装置８０を有するものとされてもよい。この光学センサ７８および光学信号検出装置８０は、例えば蛍光光学顕微鏡を構成するものであって、実験槽５６にある細胞組織５０が発する蛍光を検出することにより、例えば、細胞組織５０の局所的な磁気信号の検出と、蛍光細胞マーカ等を使用した細胞の種類の特定とを平行して行なうことができる。なお、光学センサ７８は、図９に示したように実験槽５６の下方に設けられるのみならず、実験槽５６の上方に設けられてもよい。

また、前述の実施例においては、磁気センサヘッド１８、２０として、超高感度ＭＩ磁気センサが用いられたが、これに限られない。すなわち、検出対象となる細胞組織５０へ１０００μｍ以内に近接した際に、該磁気センサヘッドからの出力信号に基づいて、１０００μｍ以下の分解能、１ｎＴ以下のノイズレベル、および１ｍｓ以内の応答速度で前記磁気信号を検出することのできる磁気センサヘッドであれば、ＭＩセンサに限定されない。

また、前述の実施例においては、磁気センサヘッド１８、２０において検出された信号を処理する環境磁場相殺部２６および磁気信号検出部２８は、アナログ回路により構成される制御回路部２２に設けられ、制御回路部２２において処理された信号がＡ／Ｄ変換部３２によりデジタルデータ化されてコンピュータ３４に取り込まれたが、このような態様に限られない。例えば、磁気センサヘッド１８、２０において検出された信号が、Ａ／Ｄ変換部３２によりデジタルデータ化された後、同様の処理が行なわれてもよい。この場合、環境磁場相殺部２６および磁気信号検出部２８は例えばコンピュータ等によって実現されるデジタル回路として実現される。

また、前述の実施例においては、実験槽５６は円筒形状のものとされたが、これに限られず、例えば、図２３に示すような直方体状のものとされてもよいし、その他の形状であってもよい。

また、前述の実施例においては、第１磁気センサヘッド１８と細胞組織５０との距離ｄ１は１０００μｍ程度となるように設定されたが（図１２参照）、このような態様に限られない。すなわち、第１磁気センサヘッド１８と細胞組織５０とは、磁気信号を制度よく検出するためにはより近接して設置されるのが望ましく、例えば、図１２において第１磁気センサヘッド１８の検出コイル８６の上端とカバーガラス５７の下面とをより近接して第１磁気センサヘッド１８を設置してもよい。

また、前述の実施例においては、本発明の細胞組織磁気信号検出装置１０は、電気的興奮を発生する興奮性細胞を含んで構成される細胞組織５０が発生する磁気信号を検出するものとされたが、単一の細胞が発生する磁気信号を検出するものであってもよい。すなわち細胞組織磁気信号検出装置１０の検出対象は、細胞組織５０に限られず、細胞そのものであってもよい。具体的には例えば長い軸索を有するイカの神経細胞などを検出対象することができる。

また、前述の実施例においては、磁気センサヘッド１８、２０は、その検出コイル８６が実験槽５６の底であるカバーガラス５７に平行となるように配設されたが、かかる態様に限られない。例えば、磁気センサヘッド１８、２０の検出コイル８６が実験槽５６の底であるカバーガラス５７に対して垂直となるように配設されることもできる。すなわち、磁気センサヘッド１８、２０、特に第１磁気センサヘッド１８が十分な空間分解能が得られるように検出対象である細胞組織５０に対し近接するように、あるいは検出対象である細胞組織から発生する磁気信号に対応する磁束の向きと磁気センサヘッド１８、２０との相対的な関係、具体的には例えば前記磁束が検出コイル８６によって検出されうる向きとなるように、磁気センサヘッド１８、２０が配設されればよい。

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、またそのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。

Claims (6)

1. 電気的興奮を発生する興奮性細胞を含んで構成される生体細胞組織において局所的に発生する活動電位に関連するイオン流動に基づく磁気信号を検出する細胞組織磁気信号検出方法であって、
   容器内に配置された生体細胞組織に０℃乃至４２℃に設定された温度範囲のイオン組成浸透圧を有する生理的細胞外液を供給する細胞組織維持工程と、
   前記生体細胞組織へ１０００μｍ以内に近接可能な磁気インピーダンスセンサからなる第１磁気センサヘッド、および、前記生体細胞組織と該第１磁気センサヘッドとの距離よりも前記生体細胞組織との距離が長くなるように配設される磁気インピーダンスセンサからなる第２磁気センサヘッドを用い、該第１磁気センサヘッドによって検出される磁気信号と該第２磁気センサヘッドによって検出される磁気信号との差分に基づいて環境磁場の影響を低減する環境磁場低減工程と、を有し、
   前記第１磁気センサヘッドと前記生体細胞組織との距離は、前記生体細胞組織によって発生する磁場を検出することができる距離とされ、
   前記第２磁気センサヘッドと前記生体細胞組織との距離は、前記第１磁気センサヘッドによる検出信号と前記第２磁気センサヘッドによる検出信号との差分の大きさが、前記磁気検出部におけるノイズレベルを上回ることができる距離とされ、
   ０℃乃至４２℃の温度範囲において、１０００μｍ以下の分解能、磁気変動の振幅約５００乃至１０００ｐＴ、１ｎＴ以下のノイズレベル、および１ｍｓ以内の応答速度で、前記細胞組織維持工程及び前記環境磁場低減工程の実行下において前記生体細胞組織の前記磁気信号を検出する磁気信号検出工程、を備えること
   を特徴とする細胞組織磁気信号検出方法。
2. 前記磁気センサヘッドは、柱状磁性体を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の細胞組織磁気信号検出方法。
3. 前記磁気センサヘッドは、平板状磁性体あるいは薄膜状磁性体を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の細胞組織磁気信号検出方法。
4. 前記磁気センサヘッドは、網状構造の磁性体を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の細胞組織磁気信号検出方法。
5. 前記細胞組織に対し、少なくとも、機械的刺激、電磁波、熱、薬物のいずれか１を投与する刺激投与部を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の細胞組織磁気信号検出方法。
6. 前記第１磁気センサヘッドと前記生体細胞組織との距離が前記生体細胞組織によって発生する磁場を検出することができる距離となるように、前記容器と前記第１磁気センサヘッドとが固定されること、
   を特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の細胞組織磁気信号検出方法。

Images