JP4928402B2

JP4928402B2 - 電気的活動刺激計測方法および電気的活動刺激計測装置

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Publication number: JP4928402B2
Application number: JP2007252286A
Authority: JP
Inventors: 明佳島田; 奈保子河西; 慶一鳥光; 慎吾曽布川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NF CORP
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NF CORP
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2007-09-27
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: JP2009085624A

Description

本発明は、生体への電気信号刺激およびその計測方法に係わり、特に、生体組織や神経細胞等に対して電気刺激信号を印加するとともに、電気的刺激信号により励起される生体組織や神経細胞等の電気的活動を計測する電気的活動刺激計測方法および電気的活動刺激計測装置に関する。

生体組織や神経細胞の情報伝達メカニズムを調べる上で、その生体組織や神経細胞に接続された単一又は複数の電極を用いて電気刺激信号を印加して励起される電気的活動を計測することは広く行われている。生体組織や神経細胞に印加される電気刺激信号は、電極に直接あるいは絶縁回路を通して、定電圧あるいは定電流パルス信号またはパルス信号を組み合わせた二相性の信号を印加されることが一般的である(例えば、非特許文献１)。また単一の電極で電気刺激と電気的活動計測の両方を行うために、電気刺激印加前後の電極の電位を保持することにより、電気刺激直後から電気的活動の計測を実現した電気的活動計測装置も提案されている（例えば、特許文献１）。
特許第３５６６８６０号公報 Wagenaar, Pine, Potter,"Effective parameters for stimulation of dissociated cultures using multi-electrode arrays", J. Neurosci. Methods, 138, pp.27-37, 2004, Table l.

ところで、ある電極に対して電気刺激信号を印加することによって励起される生体組織や神経細胞の電気的活動を計測する場合、電気刺激信号を印加することにより生じる電位分布の広がりにより、意図しない領域の生体組織や神経細胞の電気的活動を励起してしまうことがあった。

そこでこの発明は、電気刺激信号を印加することによって励起される生体組織や神経細胞の電気的活動を計測する場合に、意図しない領域の生体組織や神経細胞の電気的活動の励起を軽減することのできる電気的活動刺激計測方法および電気的活動刺激計測装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、生体組織あるいは神経細胞に対して第１電極を用いて電気刺激信号を印加する際に、当該電気刺激信号によって生じる電位分布以下の電圧になるように制御した電位制御信号を、前記電気刺激信号を印加する第１電極の周囲にある複数の第２電極に対して同時に印加することを特徴とする電気的活動刺激計測方法である。

また本発明は、上述の電気的活動刺激計測方法において、前記電気刺激信号によって生じる電位分布以下の電圧になるように制御した電位制御信号は、神経細胞の活動を励起しない電圧であることを特徴とする。

また本発明は、上述の電気的活動刺激計測方法において、前記電気刺激信号を印加する第１電極の周囲にある複数の第２電極の電圧を前記電気刺激信号の印加前後で固定することを特徴とする。

また本発明は、上述の電気的活動刺激計測方法において、前記電気刺激信号により励起された生体の電気的活動を計測することを特徴とする。

また本発明は、生体組織あるいは神経細胞に対して接続される第１電極と、前記第１電極を用いて電気刺激信号を印加し、当該電気刺激信号によって生じる電位分布以下の電圧になるように制御した電位制御信号を、前記電気刺激信号を印加する第１電極の周囲にある複数の第２電極に対して同時に印加する印加信号生成手段と、を備えることを特徴とする電気的活動刺激計測装置である。

また本発明は、上述の電気的活動刺激計測装置において、前記電気刺激信号によって生じる電位分布以下の電圧になるように制御した電位制御信号は、神経細胞の活動を励起しない電圧であることを特徴とする。

また本発明は、上述の電気的活動刺激計測装置において、前記電気刺激信号を印加する第１電極の周囲にある複数の第２電極の電圧を前記電気刺激信号の印加前後で固定することを特徴とする。

また本発明は、上述の電気的活動刺激計測装置において、前記電気刺激信号により励起された生体の電気的活動を計測することを特徴とする。

本発明によれば、電気刺激信号を印加することによって励起される生体組織や神経細胞の電気的活動を計測する場合に、意図しない領域の生体組織や神経細胞の電気的活動の励起を軽減することができる。

以下、本発明の一実施形態による電気的活動刺激計測方法および電気的活動刺激計測装置を図面を参照して説明する。
図１は電気的活動刺激計測装置で用いる多点電極の配置を示す図である。
図２は多点電極の配置エリアの電位分布を求めるために当該エリアを格子状に分割したパターンを示す図である。
図３は電気刺激信号を印加した際に生じる電位分布の数値解析結果を示す第１の図である。
図４は電気刺激信号を印加した際に生じる電位分布の数値解析結果を示す第２の図である。
図５は電気刺激信号を印加した際に生じる電位分布の数値解析結果を示す第３の図である。

まず本発明の電気的活動刺激計測方法の概要について図１〜図５を用いて説明する。
多点電極を用いて生体に対して電気刺激信号を印加する場合、多点電極同士の間隔が狭くなるにつれ、電気刺激信号の広がりにより電気刺激信号の限局が困難になる。そこでまず特定の電極に対して電気刺激信号を印加する場合、その周囲の電極の電位を制御することにより、電気刺激信号の広がりを限局できることを数値解析的手法により示す。

ここで、図１に示すように、９個の多点電極１１〜１９が電極基板上に配置されているとする。ここではラプラス方程式を、差分法を用いて数値解析的に解くことにより、電極基板表面の２次元の定常状態における電位分布を求める。図１に示す電極基板を図２のように２６×２６に等分に分割して格子パターンを設定し、各格子の座標を（ｉ，ｊ）（ｉ，ｊ＝１，２，・・・，２６）とする。すると、ｎ回目の計算において、２次元ラプラス方程式（１）

を差分近似して得られる電位分布

から導かれる連立方程式

は、

となり、各格子における電位を求めることができる。なお、本解析では、各格子（ｉ，ｊ）に対して、

となったとき収束したものとして計算を終了した。また境界条件を、

とし、電極表面は比抵抗の小さい電解質溶液で覆われているものと仮定した。そして、図１に示す電極１５に対して電気刺激信号として１Ｖ（ボルト）の定電圧を印加した場合に上述の数値解析的手法により求めた電位分布の結果が図３に示すものである。図３で示すように、本発明による電気的活動刺激計測方法を用いていない場合には、電極１５に印加した電気刺激信号により生じた電極１１〜１４及び電極１６〜１９の電位差は０．３Ｖ〜０．６Ｖ程度である。

次に、電気刺激信号の広がりを限局する場合、まず、図１の電極１５に対して電気刺激信号として１Ｖの電圧を印加するのと同時に、電極１１〜１４及び電極１６〜１９に対し、電極１５に印加した電位以下の電圧を、電位制御信号として印加する。このような方法をとった際の電位分布を数値解析的手法により求めた結果が、図４で示す電位分布であり、一例として電極１１〜１４及び電極１６〜１９に対し０．３Ｖを印加した時の電位分布を示している。図３と図４を比較すると、電極１５の周囲の領域である電極１１〜１４及び電極１６〜１９の付近において電位分布の広がりが抑えられていることがわかる。この結果は、電気刺激信号を印加する周囲の電極の電位を制御とすることにより、電気刺激信号の広がりを限局できることを示している。

また、図５は、図１に示す電極１５に対して電気刺激信号として１Ｖの電圧を印加すると同時に、電気刺激信号を印加する電極１５の周囲にある電極１１〜１４及び電極１６〜１９に対し、電位制御信号として神経細胞の電気的活動を励起しないような電圧を印加した場合の電位分布である。ここでは神経細胞の電気的活動を励起しない電位制御信号として５０ｍＶとなるように印加した。図３と図５とを比較すると明らかなように、電極１５に印加した電気刺激信号によって生じた当該電極１５周辺の電位分布は、電極１５の周囲の電極の電位を５０ｍＶにすることで、顕著に限局されていることがわかる。この結果は、生体組織あるいは神経細胞に対して電気刺激信号を印加する際に、電気刺激信号を印加する周囲の電極の電位を制御することにより電気刺激信号の広がりを限局できることを示しており、その効果は電気刺激信号を印加する周囲の電極の電位が低いほど効果的であることがわかる。そして、このような、ある１つの電極に印加した電気刺激信号により、周囲の電極に及ぶ影響を軽減することを目的として、以下の電気的活動刺激計測装置を利用する。

図６は本実施形態による電気的活動刺激計測装置の第１の図である。
図６で示す電気的活動刺激計測装置では、例えば、実際に６４個の多点電極を有する電極基板上にラット大脳皮質由来の神経細胞を分散培養し、電気刺激信号を印加したときの神経細胞の電気的活動を計測し、電気刺激信号を印加した周囲の電極の電位を、電位制御信号の印加により制御して、神経細胞の電気的活動の励起が抑制する場合に利用される。

そして、図６で示す電気的活動刺激計測装置１は、ｎ組の電極１ｉ、ｎ組の前置増幅器３ｉ、ｎ組の印加信号生成回路４ｉ、ｎ組の主増幅器５ｉ、ｎ組のスイッチ６ｉから構成される（ただし１≦ｉ≦ｎとする）。本実施形態では、ｎ＝６４となるが、この数はこれに限定されるものではない。

そして図６で示す電気的活動刺激計測装置１において、電気刺激信号または電位制御信号は、スイッチ６ｉを経て電極１ｉへ出力される。そして、印加信号生成回路４ｉから電気刺激信号または電位制御信号が出力される間、スイッチ６ｉをオンに制御する。また印加信号生成回路４ｉから電気刺激信号または電位制御信号が出力されないときは、スイッチ６ｉをオフと制御する。そして、前置増幅器３ｉと主増幅器５ｉによって出力された信号により、生体組織や神経細胞２の電気的活動の計測を行う。

しかしながら、図６の回路では、上述したような電気刺激信号による電位分布の限局は可能ではあるが、前置増幅器３ｉが電気刺激信号により飽和してしまい、電気刺激信号直後の電気的活動計測を行うことは困難である。そこで電気刺激印加前後の電位を保持し、電気刺激直後から電気的活動の計測を行う電気的活動刺激計測装置１を構築することが必要となる。

図７は本実施形態による電気的活動刺激計測装置の第２の図である。
図７の電気的活動刺激計測装置１において、１ｉは電極、３ｉは前置増幅器、４ｉは印加信号生成回路、５ｉは主増幅器、６ｉ，７ｉ，８ｉはスイッチ回路、９ｉは直流電位保持回路である。（ただし１≦ｉ≦ｎとする）

図８は電気的活動刺激計測装置における各スイッチ回路のオン／オフのタイミングを示すタイミングチャートの図である。
図７に示すスイッチ回路６ｉ，７ｉ，８ｉは、電気的活動刺激計測装置１の制御信号により、図８に示すタイミングで制御される。即ち、通常は、スイッチ回路６ｉ，７ｉがオフ、スイッチ回路８ｉがオンで、電極１ｉに対して主増幅器５ｉが接続され、印加信号生成回路４ｉは切り離された状態にある。生体組織、あるいは細胞に対して電気刺激を実行する場合には、まずスイッチ回路７ｉをオン、スイッチ回路８ｉをオフにすることにより、電極１ｉから主増幅器５ｉを切り離す。この時、主増幅器５ｉの入力直流電位は直流電位保持回路９ｉにより、切り離し直前の直流電位に保持される。ついで、スイッチ回路７ｉがオンとなるが、この時、印加信号生成回路４ｉからの電気刺激信号および電位制御信号には、加算器により直流電位保持回路９ｉからの直流電位が加算されているため、電極１ｉの直流電位は不変である。

この状態で、加算器からの電気刺激信号および電位制御信号が電極１ｉに印加され、生体組織、あるいは細胞に対して電気刺激が実行される。電気刺激終了後一定時間、スイッチ回路６ｉをオン、スイッチ回路７ｉをオン、スイッチ回路８ｉをオフと保つことにより、電気刺激により電極１ｉに注入された電荷を印加信号生成回路４ｉ側の低インピーダンス回路を通じて放電する。以上の動作の結果、電極１ｉに対する電気刺激信号及び電位制御信号の印加が可能になり、電気刺激部位を限局した状態で電気刺激信号の印加直後からの電気的活動の計測が可能になる。

図９は電気的活動刺激計測装置を用いて実際に計測した際の多点電極の配置位置と、電気刺激信号および電位制御信号を印加する電極を示す図である。
図１０は印加した電気刺激信号の波形を示す図である。
図１１は計測された電気的活動の波形を示す第１の図である。
次に、本実施形態の電気的活動刺激計測装置を用いて実際に計測した電気的活動の波形の一例を示す。
図９のように６４個の電極を有する基板上にラット大脳皮質由来の神経細胞を分散培養し、図１０に示すような時間幅４００マイクロ秒、振幅４００ｍＶの双極性パルス信号を電気刺激信号として、電極１１１に印加したときの電気的活動を計測した。図１１は、電極１１１及び電極１１２により計測された神経細胞の電気的活動である。このとき電極１１１は、電気刺激信号の印加前後における電位は一定に保たれているが、そのほかの電極の電位は制御されていない。

図１２は計測された電気的活動の波形を示す第２の図である。
次に電極１１１に対して、図１０に示す電気刺激信号を印加するのと同時に、電極１１１の周囲の８個の電極の電位を０Ｖとなるように電位制御信号を印加し、その直後に計測された電気的活動が図１２で示される波形である。電極１１１では電気刺激信号の印加直後から電気的活動が計測されたものの、電極１１２では電気的活動がほとんど計測されていない。これらの結果は、本実施形態の電気的活動刺激計測方法や電気的活動刺激計測装置１により、電極１１２に接するあるいは近接する生体組織や神経細胞２の電気的活動の励起が押さえられたことを示している。

以上説明したように、本実施形態の電気的活動刺激計測方法および電気的活動刺激計測装置によれば、電気刺激信号を印加することによって励起される生体組織や神経細胞の電気的活動を計測する場合に、意図しない領域の生体組織や神経細胞の電気的活動の励起を軽減することができる。

なお、上述の電気的活動刺激計測装置は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

電気的活動刺激計測装置で用いる多点電極の配置を示す図である。多点電極の配置エリアの電位分布を求めるために当該エリアを格子状に分割したパターンを示す図である。電気刺激信号を印加した際に生じる電位分布の数値解析結果を示す第１の図である。電気刺激信号を印加した際に生じる電位分布の数値解析結果を示す第２の図である。電気刺激信号を印加した際に生じる電位分布の数値解析結果を示す第３の図である。電気的活動刺激計測装置の第１の図である。電気的活動刺激計測装置の第２の図である。各スイッチのオンオフのタイミングを示すタイミングチャートの図である。多点電極の配置位置と電気刺激信号および電位制御信号を印加する電極を示す図である。印加した電気刺激信号の波形を示す図である。計測された電気的活動の波形を示す第１の図である。計測された電気的活動の波形を示す第２の図である。

符号の説明

１・・・・電気的活動刺激計測装置
１ｉ・・・電極
２・・・・生体組織や神経細胞
３ｉ・・・前置増幅器
４ｉ・・・印加信号生成回路
５ｉ・・・主増幅器
６ｉ，７ｉ，８ｉ・・・スイッチ
９ｉ・・・直流電位保持回路

Claims

生体組織あるいは神経細胞に対して第１電極を用いて電気刺激信号を印加する際に、
当該電気刺激信号によって生じる電位分布以下の電圧になるように制御した電位制御信号を、前記電気刺激信号を印加する第１電極の周囲にある複数の第２電極に対して同時に印加する
ことを特徴とする電気的活動刺激計測方法。
前記電気刺激信号によって生じる電位分布以下の電圧になるように制御した電位制御信号は、神経細胞の活動を励起しない電圧である
ことを特徴とする請求項１に記載の電気的活動刺激計測方法。
前記電気刺激信号を印加する第１電極の周囲にある複数の第２電極の電圧を前記電気刺激信号の印加前後で固定する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気的活動刺激計測方法。
前記電気刺激信号により励起された生体の電気的活動を計測することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電気的活動刺激計測方法。
生体組織あるいは神経細胞に対して接続される第１電極と、
前記第１電極を用いて電気刺激信号を印加し、当該電気刺激信号によって生じる電位分布以下の電圧になるように制御した電位制御信号を、前記電気刺激信号を印加する第１電極の周囲にある複数の第２電極に対して同時に印加する印加信号生成手段と、
を備えることを特徴とする電気的活動刺激計測装置。
前記電気刺激信号によって生じる電位分布以下の電圧になるように制御した電位制御信号は、神経細胞の活動を励起しない電圧である
ことを特徴とする請求項５に記載の電気的活動刺激計測装置。
前記電気刺激信号を印加する第１電極の周囲にある複数の第２電極の電圧を前記電気刺激信号の印加前後で固定する
ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の電気的活動刺激計測装置。
前記電気刺激信号により励起された生体の電気的活動を計測することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の電気的活動刺激計測装置。