JP6541776B2 - モデル動物の機能改善評価装置および神経細胞培養装置 - Google Patents
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Description
本発明の機能改善評価方法は、トレッドミル上で脊髄損傷があるラットを歩行させながら、後述する歩行動作補助装置を用いて、当該ラットが筋肉を動かす際に発生する生体電位信号を検出し、この検出された生体電位信号に基づいて当該ラットの歩行動作を補助(アシスト)する。
図1は、本発明の実施の形態にかかるラットの機能改善評価装置1の外観斜視図である。機能改善評価装置1は、基台2上にトレッドミル3および球状転動部4が並設され、当該トレッドミル3を基準として、基台2の下側に歩行動作補助装置5(図3)が内蔵されている。
図3に本実施形態に係る機能改善評価装置1の制御系統の構成を示すブロック図を示す。機能改善評価装置1は、歩行動作補助装置5、免荷装置10、トレッドミル3、送受信部13を備える。
歩行動作補助装置5は、ラットが脚の筋肉を動かす際に発生する生体電位信号を検出し、この検出された生体電位信号に基づいて駆動源21の駆動トルクを制御して動作伝達機構部20を介して当該ラットの歩行を補助(アシスト)する。
(5−1)運動機能改善評価方法
本実施の形態においては、ラットの脊髄が損傷や断裂した場合(評価実験用に意図的に損傷や断裂をさせた場合)に、その損傷や断裂箇所の上位の中枢(脳)側にセンサ16を埋め込んでおき、トレッドミル3上で脊髄損傷があるラットを歩行させながら、脳からの指令に基づく生体信号(神経活動電位)を検出することで、歩行動作を補助(アシスト)する。
さらに本発明による機能改善評価装置1をラットの運動機能改善への適用のみならず、膀胱排泄障害のような生理機能改善に適用するようにしても良い。
(本実施の形態の例)
まず前提としての本実施形態の神経細胞の培養条件について説明する。本実施形態において、神経細胞の培養条件は、使用する神経細胞に対応する公知の培養条件の中から、当業者が適宜適切な条件を選択することができる。なお、本実施形態における神経細胞の培養方法は、評価対象となるラット自身の神経細胞培養に限定されることなく、他のラットやその他種々の哺乳類(人間を含む)の神経細胞培養に広く適用することが可能である。
パターン1(P1):ゲルの端部に向かってまたはゲルの端部に沿って伸長する:
パターン2(P2):ゲルの凹凸に並行に伸長する:
パターン3(P3):他の細胞に向かって伸長する:および
パターン4(P4):放射状に伸長する:
4つのパターンで神経突起が伸長していることがわかる。
本実施の形態の第1変形例として、一般的なナノファイバ31(図8)に代えて、図13に示すように、長手方向に沿って内部空間が形成された中空ナノファイバ50を適用しても、上述と同様の効果を得ることができる。この場合、1つの中空ナノファイバ50には、1つの神経細胞32が配置されても良いし、2つ以上の神経細胞32が配置されていても良い。また、中空ナノファイバ50の直径は、神経細胞32を内部に配置することができれば特に限定されないが、10μm〜100μmとすることが好ましい。
また本実施の形態の第2変形例として、図14に示すように、培養基材30上に、外表面から内表面へと連通する微小なホール51を有する中空ナノファイバ50と、神経細胞32を配置するようにしても良い。この中空ナノファイバ50は微小なホール51を複数有するため、成長の過程で中空ナノファイバ50の内表面に到達した神経突起33は、各ホール51を介して中空ナノファイバ50の外表面へと出る。外表面に出た神経突起33は、この外表面に沿って、すなわち中空ナノファイバ50の伸長方向に沿って、さらに成長する。ホール51の径としては、神経突起33が通過することができれば、特に制限されない。
さらに本実施の形態の第3変形例として、図15に示すように、培養基材30上に、雲状(クラウド状)に形成されたナノファイバ52と、神経細胞32とを配置するようにしても良い。ここで、クラウド状に形成されたナノファイバ52とは、1つまたは2つ以上のナノファイバが、規則的または不規則的に伸長することによって形成されたナノファイバまたはナノファイバ群のことを指す。
(6−1)モデル動物としての霊長類への拡張適用
上述の実施の形態においては、モデル動物としてラット等の四足歩行の哺乳動物を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、人間以外のサルなどの霊長類にも幅広く適用するようにしても良い。
図17は、他の実施の形態にかかるサルの機能改善評価装置100の外観斜視図である。機能改善評価装置100は、基台101上にトレッドミル102が設置され、当該トレッドミル102の下側に制御ユニット120(図19)が内蔵されている。
図19に他の実施形態に係る機能改善評価装置100の制御系統の構成を示すブロック図を示す。機能改善評価装置100は、装着式動作補助装置110、免荷装置116、トレッドミル102、送受信部121を備える。
なお、かかる実施形態においては、装着式動作補助装置110の動作伝達機構部107は、人間に適用する外骨格型の動作補助装置(例えば特開2005-95561号公報参照)とほぼ同等の構成からなるものを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、腰フレーム105及び第1フレーム108Ra、108Laの連結部位と、第1フレーム108Ra、108La及び第2フレーム108Rb、108Lbの連結部位とにそれぞれ駆動源を設けることなく、右脚補助部106R及び左脚補助部106Lをそれぞれワイヤ(図示せず)の緊張又は弛緩による切替え駆動(すなわち腱駆動)により歩行動作させるようにしてもよい。
(6−5−1)運動機能改善評価方法
この実施の形態においては、サルの脊髄が損傷や断裂した場合(評価実験用に意図的に損傷や断裂をさせた場合)に、その損傷や断裂箇所の上位の中枢(脳)側にセンサを埋め込んでおき、トレッドミル102上で脊髄損傷があるサルを歩行させながら、脳からの指令に基づく生体信号(神経活動電位)を検出することで、歩行動作を補助(アシスト)する。
さらにこの実施の形態による機能改善評価装置100をサルの運動機能改善への適用のみならず、膀胱排泄障害のような生理機能改善に適用するようにしても良い。この実施形態においても、上述した本実施の形態におけるラットの場合と同様に、サルの膀胱にカテーテルを挿入しておき、サルを歩行動作させながら、所望の体内部位(脊髄、脳神経など)から検出される生体信号に基づいて、歩行動作を補助(アシスト)すると同時に、膀胱排泄障害の機能改善をモニタリングすれば良い。
Claims (6)
- 哺乳類のモデル動物の所望の体内部位に移植され、培養基材上に神経細胞と当該神経細胞の神経突起の伸長方向をガイドするガイド部材とを配置する移植用モジュールと、
上記移植用モジュールよりも上位の中枢側を少なくとも含み、上記体内部位を中心に放射状に複数箇所に取り付けられ、当該体内部位を基準に神経活動電位をそれぞれ検出する電位検出部と、
上記モデル動物の各脚部の足先を保持する保持部に連結され、当該保持部が上記モデル動物の自然な歩行動作パターンと同一または近似する軌道を揺動するように、上記駆動源の動力を当該保持部に伝達する動作伝達機構部と、
上記保持部が接触可能に位置合わせされた歩行ベルトを有し、ロールの回転に応じて当該歩行ベルトを循環するように移動するトレッドミルと、
上記電位検出部により検出された上記各神経活動電位に基づいて、上記モデル動物の意思に従った動力を駆動源に発生させながら、当該各神経活動電位の変化を測定する制御部と、を備え、
上記制御部は、上記動作伝達機構部に連結された上記保持部の揺動状態に基づいて、上記駆動源の動力を制御するとともに、上記モデル動物の歩行動作に合わせて、上記歩行ベルトの移動速度を制御しながら、上記モデル動物の上記体内部位に埋め込まれた上記移植用モジュールにおいて神経細胞を培養させると同時に、上記各神経活動電位の変化の測定結果に基づいて当該神経細胞がどのように細胞活動しているかを調べる
ことを特徴とする神経細胞培養装置。 - 上記制御部は、上記モデル動物の上記体内部位に配置した電極の神経活動電位と、当該体内部位に対応する筋肉表面に配置した皮下埋め込み型電極の神経活動電位とを比較し、当該比較結果に基づいて、上記体内部位の修復度合いを推定する
ことを特徴とする請求項1に記載の神経細胞培養装置。 - 上記電位検出部と同一部位に設けられ、上記制御部からの信号に基づいて上記モデル動物に対して矩形波電流による電気刺激を与える生体刺激付与部を備え、
上記制御部は、上記生体刺激付与部による電気刺激に対して反射した活動電位を計測しながら、当該活動電位と上記神経細胞の細胞活動との関係に基づいて、電気刺激の刺激頻度を制御することにより、神経細胞の伸長の指向性を制御する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の神経細胞培養装置。 - 上記モデル動物の各脚部の足先を保持する保持部に設けられ、当該モデル動物の歩行動作に応じた重心位置を検知する重心位置検知部と、
上記モデル動物を昇降自在に吊り上げて、当該モデル動物の各脚部の足先への荷重を免荷する免荷装置とを備え、
上記制御部は、上記モデル動物の重心位置に基づいて、上記免荷装置による免荷量を制御する
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の神経細胞培養装置。 - 上記動作伝達機構は、自由度1の多節リンク機構を有し、上記駆動源の回転運動の全部または一部を擬似直線運動または真性直線運動に変換する
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の神経細胞培養装置。 - 上記動作伝達機構は、
上記モデル動物の腰に装着される腰フレームと、
上記腰フレームの右側部及び左側部からそれぞれ下方に設けられ、上記モデル動物の股関節に対応する位置で回動自在に連結された第1フレームと、
各上記第1フレームから下方に設けられ、上記モデル動物の膝関節に対応する位置で回動自在に連結された第2フレームとを備え、
上記駆動源の出力が、上記第腰フレーム及び上記第1フレームの連結部位と、上記第1フレーム及び上記第2フレームの連結部位とにそれぞれ伝達される
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の神経細胞培養装置。
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