JP6775156B2 - 電場中の局所変化を検出する電気光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクティブな可変偏光度を呈する液晶層を有する電気光学装置を用いることによる光検出分野に関する。

「アクティブな可変偏光度を呈する」という表現は、液晶層の入力時に直線偏光される入射ビームに関し、この入射ビームの偏光方向を高い液晶層に印加される電場の存否に応じて、かかる液晶層の出力時に変化させることができる任意形式の液晶を意味している。

アクティブな可変偏光度を呈する液晶は、例えば、ＴＮ形態として以下に略称された状態で表されているツイステッドネマチック形態の液晶であり、かかる液晶は、垂直アライメントを有し、あるいはこの場合もまた、面内スイッチングを有する。

ＴＮ形態では、
‐液晶層の出力時における入射ビームの偏光は、液晶層の入力時における入射ビームの偏光に、これら入射ビームが何ら電場の作用を受けない場合、垂直であり、そして、
‐液晶層の出力時における入射ビームの偏光は、液晶層の入力時における入射ビームの偏光に、これら入射ビームが電場の作用を受ける場合、平行であり、そして、
液晶が垂直アライメントまたは面内スイッチングを有する場合、
‐液晶層の出力時における入射ビームの偏光は、液晶層の入力時における入射ビームの偏光に、これら入射ビームが何ら電場の作用を受けない場合、平行であり、そして、
‐液晶層の出力時における入射ビームの偏光は、液晶層の入力時における入射ビームの偏光に、これら入射ビームが電場の作用を受けた場合、垂直である。

直線偏光と線形偏光は、区別なく使用できるものと理解されたい。好ましくは、直線偏光の偏光軸は、後で説明するアライメント層の平面に平行である。

ＴＮ形態の液晶の使用は、例えば、幾つかのディスプレイスクリーン向きであることが知られている。

ＴＮ形態において、液晶は、２つのアライメント層相互間で薄い層の状態で閉じ込められる。各アライメント層は、この層の平面内にアライメント方向を有する。この層の近くに位置する液晶は、アライメント方向に平行なディレクタを有し、すなわち、液晶の平均アライメント方向を有する。２つのアライメント層は、これらのアライメント方向が互いに垂直であるように配置される。このように、２つのアライメント層相互間において、液晶は、一方の層から他方の層に次第に変わるツイステッドディレクタを有する。

２つのアライメント層相互間に電位差が印加されると、液晶は、もはやねじり状態ではなく、互いに平行でありかつ結果として生じる電場に平行である。

この作用効果は、例えば、各アライメント層が直線偏光子に結合され、２つの偏光子が交差する幾つかの液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）向きに用いられ、ミラーと組み合わせて、これは、入射光を反射する場合がありまたはそうでない場合がある（https://fr.wikipedia.org/wiki/Twisted_nematic）。

ＴＮ形態の液晶の相当に巧妙な技術革新が特に神経細胞（ニューロン）の活動の観察のために本明細書において提案されている。

今日まで、神経細胞の種々の観察法が存在し、かかる方法としては、細胞膜を通るイオン電流の電気生理学的記録方法（パッチクランプとして良く知られている）が挙げられる。これら技術は、極めて良好な解像度を可能にするが、最大でも１つの神経細胞または数個の神経細胞の規模である。しかしながら、同時に観察される神経細胞の量は、限られ、これら技術はまた、侵襲的な性格を持つ。

また、微小電極またはＭＥＡのネットワークが存在し、かかる微小電極は、これら電極による細胞の近くの電位の直接的な測定を可能にする。しかしながら、ＭＥＡは個々の神経細胞の付近では解像力を備えておらず、比較的高い雑音対信号比を有する。また、今日まで、ＭＥＡ１つ当たりの電極の最大数は、１〜３０００であり、これまた、観察できるニューロンの総数を制限する。

最後に、神経細胞の活動をマーク付けする技術および蛍光可視化（石灰活性またはイオンチャネルの遺伝子組み換えの蛍光画像化、なお、イオンチャンネルの活性化を蛍光にすることができる）もまた知られており、かかる技術は、蛍光プローブによる単一の神経細胞の規模で神経活動を追跡する。しかしながら、これら技術は、非常に広い観察野を備えておらず、しかも侵襲的性格を有する。

本発明は、これらの問題を解決する。

正確に言えば、本発明は、サンプル（１００）によって局所的に生じる電場の光検出のための電気光学装置であって、電気光学装置は、
‐交流電源（７０）を有し、
‐直線上側偏光子（２０）および直線下側偏光子（２１）を有し、
‐互いに垂直な２つのアライメント方向を有する上側アライメント層（５０）と下側アライメント層（５１）との間に位置する液晶層（３０）を有し、
‐交流電源（７０）に電気的に接続された上側電極（６０）および下側電極（６１）を有し、上側電極（６０）および下側電極（６１）は、交流電源によって電極相互間に電位差（Ｖｅｘｔ）が印加されると、電場が２つの電極相互間に作られ、液晶層が電場中に包み込まれるように配置され、
‐電極（６０，６１）相互間に配置された異方性電気導体の層（４０）を有する。

電気光学装置は、本質的に、この電気光学装置が
‐サンプル（１００）は、２つの電極相互間に作られた電場内に包み込まれるように位置するサンプル（１００）と、
‐光センサ（８０）の方向に単色光の状態で入射ビーム（９０）を、液晶層（３０）を通る入射ビームの透過または反射によって放出するよう構成された光源（１０）とを有することを特徴とし、
電気光学装置は、本質的に、
‐液晶層（３０）がアクティブな可変偏光度を有し、
‐異方性電気導体の層（４０）が２つの電極相互間に作られた電場を、アライメント層に交差する単一の伝搬方向に送るよう構成され、
‐異方性電気導体層が上側アライメント層と接触状態に配置されまたは上側偏光子によって上側アライメント層から隔てられていることを特徴とする。

一実施形態では、サンプル（１００）は、上側電極（６０）および下側電極（６１）とは接触していない。

一実施形態では、上側偏光子と下側偏光子は、互いに平行な偏光軸を有し、それにより、後で説明する光センサの出力時、第１のコントラスト、この場合、黒色背景に対して白色に従って信号を生じさせる。

一実施形態では、上側偏光子と下側偏光子は、互いに垂直な偏光軸を備え、それにより、後で説明する光センサの出力時、第１のコントラストに対して逆の第２のコントラスト、この場合、白色背景に対する黒色の状態に対して信号を生じさせる。

一実施形態では、上側電極（６０）および下側電極（６１）は、外部電圧（Ｖｅｘｔ）が交流電源（７０）から印加されると、サンプル（１００）、異方性電気導体層（４０）および液晶層（３０）が少なくとも、２つの電極を互いに連結する電場の力線の少なくとも何割かを受けるよう配置され、サンプル（１００）によって局所的に生じた電場は、２つの電極相互間に作られた電場を乱す。

一実施形態では、サンプル（１００）は、生物学的神経細胞回路網を含む。

「透過」型と呼ばれる実施形態では、上側偏光子（２０）と下側偏光子（２１）は、好ましいコントラストに応じて互いに平行または垂直な偏光軸を備え、これら偏光子は、液晶層（３０）の各側にそれぞれ空間的に配置されかつこれらが好ましくは互いに平行である空間形態を有する。

「反射」型と呼ばれる実施形態では、上側偏光子（２０）と下側偏光子（２１）は、互いに垂直であり、上側偏光子は、上側アライメント層（５０）と異方性電気導体層（４０）との間に配置され、電気光学装置は、光源から来た入射ビーム（９０）を方向付けるよう構成されたビーム分離器（１２０）を更に有し、入射ビーム（９０）は、下側偏光子（２１）からビーム分離器（１２０）を通り、次に液晶（３０）を次々に通ることによって下側偏光子（２１）を通って液晶層（３０）の方に進み、そして、異方性電気導体層（４０）での反射後、再び、液晶層（３０）を通り、オプションとして下側偏光子（２１）を通らないでビーム分離器（１２０）、および光センサ（８０）を通る。

一実施形態では、液晶層（３０）を通る光ビームの透過または反射後、光源（１０）の光ビーム（９０）を検出するよう構成された光センサ（８０）を更に有する。

外部電圧（Ｖｅｘｔ）は、０Ｖを超えかつ液晶の破壊電圧よりも低く、好ましくは、液晶の飽和電圧よりも低くあるいは、外部電圧により生じる電場は、０Ｖ／ｍを超えかつ１０⁴Ｖ／ｍ未満である。

一実施形態では、液晶（３０）は、３７℃でネマチックである液晶ＰＣＨ５であり、外部電圧（Ｖｅｘｔ）は、０Ｖを超えかつ１０Ｖ未満であり、この場合は２Ｖ〜５Ｖである。

一実施形態では、電気光学装置は、メモリと、プログラム可能なコンピュータとを更に有し、プログラム可能なコンピュータは、
‐メモリ内に、
‐サンプル（１００）が電場を放出しないときに、液晶（３０）の光応答に対応した非アクティブな初期画像、および
‐サンプル（１００）が電場を局所的に放出したときに、液晶（３０）の光応答に対応したアクティブな画像を記録し、また、
‐非アクティブな初期画像とアクティブな画像との差を計算するためのプログラムコード命令を含む。

本発明により、非接触で（非侵襲的）しかも化学的マーク付けなしで数週間にわたりかつ１００ｃｍ²を超える観察野にわたって、１つまたは数個の画素で個々の尺度において神経細胞を観察することが可能である。

本発明により、液晶に印加された電場の強度を制御することによって光の透過量を変化させるということが可能である。

本発明の他の特徴および他の利点は、例示の実施形態であって非限定的な実施形態により与えられるとともに添付の図面を参照して行われる以下の説明からより明確に理解されよう。

液晶に外部電圧が印加させていない本発明の電気光学装置の一部の形態を示す図である。 外部電圧が液晶に印加された図１Ａの形態を示す図である。 外部電圧の値に応じて本発明の電気光学装置の一実施形態の光応答の進展状況を示す図である。 「反射」形態における本発明の電気光学装置の一実施形態を示す図である。 「透過」形態における本発明の電気光学装置の一実施形態を示す図である。 図４Ａの一部の拡大図である。 本発明の異方性電気導体層の一実施形態を示す図である。 異方性電気導体層を三次元で示す図である。 アクティブな神経細胞および非アクティブな神経細胞を含むサンプルについて液晶によって見える電位の空間分布状態を示す図である。

本発明は、サンプル１００の電気的活動を光学的に検出する。サンプルは、電場を生じさせまたは局所的に改変する見込みのある任意のサンプル、特に生物学的サンプルを意味している。簡略にするために、神経細胞回路網、単層または多層の形態をしたサンプルを１つだけ本明細書において説明する。本発明は、他のサンプル、例えば軸索（神経細胞）、組織のスライス（例えば、脳のスライス）または組織全体（脳）、特に免疫学においてイオン性膜内外交換を有する生物学的細胞について実施されるのが良い。

サンプルは、サンプル支持体１１０上またはサンプル支持体１１０内、この場合微小流体細胞上に被着されまたはその中に納められる。

以下において説明するように、本発明は、同一形式または同一組成の要素、例えばアライメント層、偏光子または電極のアレイを含む。従来通り、同一形式または同一組成の要素のアレイに関し、「上側」または「近位側」という用語は、サンプルの最も近くに位置する組立体の要素を意味し、「下側」または「遠位側」という用語は、サンプルから最も遠くに位置する要素を意味する。

「透明」という用語は、光源によって放出された入射ビームの中心波長に対して透明であることを意味する。

「透過」型と呼ばれる実施形態では、入射ビームは、その光路に沿って、サンプルを通過し、その後液晶を横切る。この実施形態は、特に生体外における、神経細胞回路網の活動度の観察を可能にする。

「反射」型と呼ばれる実施形態では、入射ビームは、その光路に沿って、液晶を通り、その後にサンプルを通り、それにより、特に生体内における、神経細胞回路網の活動度の観察が可能である。

「透過」モードでは、サンプルは、少なくとも部分的に透明である。

光路は、入射ビームの軌道によって定められ、その原点は、光源であり、その行き先は、光センサである。

光源

入射ビーム９０を放出するよう構成された、好ましくは均質な、光源１０が提供されている。

「透過」モードでは、入射ビームは、好ましくは以下に説明する結晶の方向に直接送られる。「反射」モードでは、入射ビームは、液晶の方向に間接的に送られ、すなわち、後者は、後で説明する分離器を通る。

光源によって放出されるスペクトルは、多色性であるのが良い。しかしながら、好ましくは、単色性源または白色源が用いられるとともに、有利には波長の中心が、所与の厚さの液晶について、液晶の光の透過または伝送に最適である波長に位置する少なくとも１つの単色性のフィルタのアレイが用いられる。中心が５５０ｎｍに位置する単色性源についての試験が本出願人によって実施された。

光源が少なくとも、撮像された各画像、すなわち所与の時点で後で説明する光センサによって得られる画像についてアクティブにされることが期待される。

好ましくは、光源によって放出された光は、偏光されずまたは光路上でビームの出会う第１の偏光子（「透過」型実施形態では上側偏光子、「反射」型実施形態では下側偏光子）の偏光軸に平行な方向に偏光され、偏光子については後でまた説明する。

液晶

アクティブな可変偏光度を呈する液晶層３０が好ましくは、厚さが１００ｎｍ〜１００μｍ、この場合４．５μｍである薄い層の形態で設けられている。

好ましくは、液晶は、ＴＮ形態をしている。例えば、３７℃においてネマチックな液晶ＰＣＨ５が設けられている。

液晶層の厚さは、液晶に対する電場の影響下において９０°の入射ビームの偏光の変化を保証するよう制御される。

液晶の応答時間は、マイクロ秒のオーダのものであり、それによりこれら液晶のアライメントが可能であり、したがってほぼリアルタイムでの観察が可能である。

アライメント層

液晶は、２つのアライメント層、すなわち、上側アライメント層５０と下側アライメント層５１との間に納められるとともに下側アライメント層と接触状態で設けられている。

アライメント層は、例えば「ナノインプリント」フォトリソグラフィと呼ばれるリソグラフィまたはその類似技術によってナノ構造化されている。これらアライメント層は、扁平であり（ナノパターニングのための準備ができている）かつ互いに平行であり、また、好ましくは１ｍｍ未満の厚さを有する。例えば、これらアライメント層は、メチルポリメタクリレート（ＰＭＭＡ）またはポリイミドで構成されている。

各アライメント層は、そのナノ構造化のため、溝のアレイを有し、溝は、この場合横長の長方形断面、直線状、互いに平行かつ一対ずつ等間隔をおいて位置しかつ例えば成形によって形成されている。各アライメント層のアライメント方向は、溝の長さ方向で定められる。他の実施形態では、横長の断面は、例えば長方形、正弦波形状以外の形状である。

２つのアライメント層は各々、それぞれのアライメント方向を有する。

液晶は、アライメント層と接触状態をなして、アライメント方向に整列している。２つのアライメント方向は、互いに垂直であり、静止状態では、これによりＴＮ形態の液晶が作られる。

液晶は、スペーサによって、例えばスピンコーティングおよび溶剤蒸発または他の等価な技術によって被着された例えばＳｉＯ₂の透明なマイクロボール、ポリマーまたはガラスなどで作られているマイクロナノ構造化ピラーによって、２つのアライメント層相互間に保持され、液晶層の厚さは、スペーサの高さによって制御される。

厚さが約１００ｎｍのＰＭＭＡで作られた各アライメント層について試験を実施したが、各溝は、２５０ｎｍ×１７０ｎｍの横長の断面を有し、２つの隣り合う溝は、２５０ｎｍだけ隔てられ、ＳｉＯ₂の透明なマイクロボールは、直径４．５μｍのものである。

一実施形態では、各アライメント層の厚さは、１００ｎｍ〜２００ｎｍである。

入射ビームはアライメント層と交差している。好ましくは、入射ビームは、アライメント層に実質的に垂直である。

第１および第２のアライメント層は、それぞれ、光路上に配置された第１のアライメントおよび第２のアライメント層を意味している。

「透過」型実施形態では、第１のアライメント層は、上側アライメント層である。

「反射」型実施形態では、第１のアライメント層は、下側アライメント層である。

液晶は、光の偏光を改変することができる。したがって、静止状態では、光路上に置かれた第１の偏光子（「透過」型実施形態では上側偏光子、「反射」型実施形態では下側偏光子）の偏光方向に平行な第１のアライメント層のアライメント方向が有利に存在し、偏光子については後で説明する。

アライメント層相互間に包封された液晶層は、セルと呼ばれる。

異方性電気導体の層

異方性電気導体層４０もまた、好ましくは扁平な状態で、一定厚さのものであってアライメント層に平行であり、例えば、一例が図５に示されているメンブレンの形態をした状態で設けられている。

異方性電気導体層４０により、入射ビームの光学的透過が可能である。好ましくは、これは、入射ビームの波長のところに位置する。

「異方性」という用語は、単一の伝搬方向にのみ力線の透過を可能にするものを意味している。電場の作用を受けると、この伝搬方向に平行な電場の成分のみが、異方性電気導体層を通って伝送される。

一実施形態では、異方性電気導体層は、貫通穴が開けられた絶縁性マトリックスであり、これらの穴は、電気導体で満たされている。層４０は、個々の異方性電気導体４１のアレイを含む。

各異方性電気導体４１の伝搬方向は、アライメント層に交差し、好ましくはアライメント層に垂直であることが見込まれる。好ましくは、各異方性電気導体の伝搬方向は、直線状であり、また、アライメント層に対する垂線に対して多くとも４５°の角度をなすことが期待される。

例えば、異方性電気導体の層は、ポリ（３，４‐エチレンジオキシチオフェン）、すなわち、頭文字をとってＰＥＤＯＴと良く呼ばれている、導電性でありかつ透明なポリマーで満たされた穴が設けられているＡｌ₂Ｏ₃またはポリカーボネートのマトリックスである。貫通穴の配向軸線は、対応の電気導体の異方性軸線を定める。

図５を参照すると、
‐Ｓは、２つの隣り合う穴を隔てる最も短い距離であり、
‐ｒ_nwは、貫通穴の半径であり、そして
‐ｌは、異方性電気導体の層の厚さである。
本発明の装置の光の透過は、ｌ，Ｓに応じてｒ_nwの値を選択するとともに異方性電気導体の材料の導電率を選択することによって最適化できる。

好ましくは、層４０の単位表面当たりの異方性電気導体４１の数は、光センサ８０の単位表面当たりの画素の数以下である。

変形例として、異方性電気導体の層は、絶縁体（ポリカーボネートもしくはＳｉＯ₂または他の物質）内に封入されたナノワイヤのマトリックスであっても良く、その結果、各異方性電気導体４１の伝搬方向が螺旋形態を取ることが見込める。

一実施形態では、異方性電気導体層は、大きな隙間、または例えばＳｉＯ₂、ＳｉＯ₃Ｎ₄、ＳｉＮ、プラスチック材料（ＰＭＭＡ，ＰＣ，ＰＥＴ……）、絶縁ポリマー（ピラレン、ＰＤＭＳ）のうちの１つの全てまたは一部を含む材料で作られた絶縁体を備えた半導体である。ＳｉＮは、有利には、良好な機械的強度を有する。

図６は、異方性電気導体の層４０を三次元で示しており、この場合、軸Ｚは、２つの電極相互間に作られた電場の力線に平行でありかつ平面ＸＹに垂直である。

この場合、単一の伝搬方向は、軸Ｚの方向である。

事実、軸Ｘに従ってまたは軸Ｙに従って、層４０は、２つの電極相互間に作られた電場の力線がどれもそれぞれ軸Ｘおよび軸Ｙに従って全体的に減衰されるような寸法を有する。このように、異方性電気導体層は、方向Ｘ，Ｙの各々では電気絶縁体である。

軸Ｚに従って、異方性電気導体層は、２つの電極相互間に作られた電場の力線が少なくとも部分的に透過されるような寸法（厚さ）を有する。このように、層４０について用いられる材料が絶縁体であると見なされる場合であっても、この材料の十分に小さい厚さが同様に、電場の減衰透過を可能にする。例えば初期の試験は、選択されるべき異方性電気導体層の厚さを特にかかる異方性電気導体の化学的組成および電場の強度の関数として求めている。

この場合、異方性電気導体の層厚さは、軸Ｚに従って透過される電場の値が２つの電極相互間に作られた電場の値の所定の百分率以上であるように選択される。

図７は、異方性電気導体層４０の各側で方向Ｘに応じて、この場合、２つの神経細胞を有するサンプルに対して電気応答（ボルトで表される）を示している。

第２のピークは、非アクティブな神経細胞ＮＯ＿ＦＬＡＳＨに対応し、第１のピークは、アクティブな神経細胞ＦＬＡＳＨに対応している。上側曲線Ｚ＿４０＿ｉｎは、神経細胞の側（図４Ｂに関連付けられている）上の層４０のフェースに関する電位の変化状況を表し、下側曲線Ｚ＿４０＿ｏｕｔは、神経細胞と反対側の側、すなわち液晶（図４Ｂに関連付けられている）側上の層４０のフェースに関する電位の変化状況を表している。

上側曲線Ｚ＿４０＿ｉｎと下側曲線Ｚ＿４０＿ｏｕｔの差は、層４０による電場の減衰度を示している。減衰度は、サンプルの活動度または非活動度ではなく、層４０のタイプで決まる。

異方性電気導体層は、サンプルと上側アライメント層との間に配置されかつ例えば上側アライメント層と接触状態にある。

「透過」型実施形態では、異方性電気導体層は、好ましくは、透明である。

「反射」型実施形態では、異方性電気導体層は、好ましくは、反射性である。

「反射」型実施形態では、異方性電気導体層は、有利には導電性ナノワイヤ、この場合純粋または有利にはドープシリコンである、導電性ナノワイヤを含み、これは非導電性メンブレン、この場合ポリカーボネートで作られたものの中に封入され、ナノワイヤの方向は、導体の異方性軸線を定めている。変形例として、アルミナのメンブレンには、ＰＥＤＯＴで満たされた貫通穴が設けられ、これら貫通穴の配向軸線は、導体の異方性軸線を定めている。この場合、ポリカーボネートまたはアルミナメンブレンは、有利には、反射性である。異方性ナノ多孔質シリコンで作られたメンブレンもまた設けられることができる。

反射メンブレンの化学的組成は、光コントラストに影響を及ぼす。

好ましくは、異方性電気導体の伝搬方向は、後で説明する光センサの平面に垂直であり、それによりこの光センサ上で得られる画像のオフセットが阻止される。

異方性電気導体層は、電場の局所改変を生じさせるサンプルの要素の位置と、この改変を検出する光センサの個々の受容器または複数の受容器（画素、フォトダイオード）の位置との全単射関係を保証する。

サンプルベース

好ましくは、少なくとも１つのサンプルベース１１０もまた、好ましくは扁平であり硬質または柔軟であり、アライメント層に平行であってかつ非導電性であり、この場合、ガラスプラーク（または他形式の好ましくは生体適合性支持体）の状態で設けられ、このサンプルベースは、装置の構造を機械的に支持する。

例えば、下側支持体が以下において説明する下側電極と接触関係をなして設けられる。上側支持体もまた、例えば後で説明する電解質と接触関係をなして設けられるのが良い。

電極

１対の電極、すなわち上側電極６０および下側電極６１もまた設けられるのが良く、その結果、電圧がこれら２つの電極相互間に印加されると、２つの電極相互間に好ましくは一様な電場が作られ、この電場内には、液晶層が包み込まれるようにして配置される。

２つの電極は、互いに同一であるのが良い。好ましくは、２つの電極は、導電率が高く、すなわち、室温で１オーム／ｍを超える導電率を示す。例えば、電極は、インジウムすず酸化物（ＩＴＯ）で作られる。

電極は、扁平でありかつアライメント層に平行であるのが良く、そして好ましくは透明である。

例えば、下側電極は、下側アライメント層と接触状態にある。

この実施形態にもかかわらず、電極は、外部電圧Ｖｅｘｔが外部交流電源７０から印加されると、サンプル、異方性電気導体層および液晶が、２つの電極を互いに連結している力線の少なくとも何割かを受けるよう配置されている。

「透過」型実施形態では、上側電極は、好ましくは、液晶と光源との間、より具体的には、サンプルと光源との間に配置され、下側電極は、例えば、下側アライメント層と支持体との間に配置される。上側電極は、光路に沿って上側偏光子の前または後に配置されるのが良い。

好ましくは、サンプルおよび上側電極は、同一の導電性媒質、この場合液体電解質中に浸るように位置している。液体電解質は、溶液に溶けたイオンで構成される塩水である。例えば、細胞媒質、この場合Neurobasal（登録商標）が設けられる。

一実施形態では、上側電極は、異方性電気導体層から約１ｃｍ離れた距離のところに位置している。

電極は、交流電源に接続されている。好ましくは、電源の端子のところで生じる電圧（「外部電圧」Ｖｅｘｔと呼ばれる）は、液晶のタイプで決まる。この場合、３７℃においてネマチックＰＣＨ５液晶に関し、電源の端子のところで生じる電圧は、２Ｖ〜５Ｖである。

外部電圧は、液晶を整列させるとともに入射ビームの偏光を改変し、それにより入射ビームが液晶層を通過することができるようにする。

また、外部電圧Ｖｅｘｔの値の選択は、「作用」という説明部分で特定されるように電場の局所改変に起因した透過距離の検出を最適化しまたはさらに保証する。

偏光子

好ましくは扁平であってオプションとして軟質である少なくとも２つの偏光子、すなわち、上側偏光子２０および下側偏光子２１もまた設けられ、これらのうちの少なくとも一方は、入射ビームの伝搬方向に垂直である。

上側偏光子および下側偏光子は、直線状偏光子であり、すなわち、これら偏光子は、これらの偏光軸に従って直線偏光された光を生じさせる。

「透過」型実施形態では、本明細書の冒頭部で言及した幾つかのディスプレイＬＣＤとは異なり、上側偏光子の偏光軸と下側偏光子の偏光軸はこの場合、第１のコントラストをなすよう互いに平行であり、また、第１のコントラストに対して逆である第２のコントラストを生じさせるよう互いに対して垂直である。

偏光子のうちの少なくとも一方は、アライメント層の一方のアライメント方向に平行な偏光軸を有する。

この場合、上側偏光子は、上側アライメント層のアライメント方向に平行な偏光軸を有し、下側偏光子は、下側アライメント層のアライメント方向に垂直な偏光軸を有する。

下側偏光子は、液晶層と以下において説明する光センサとの間に配置され、好ましくは、下側支持体とこの光センサとの間に配置される。

上側偏光子は、液晶層と光源との間に配置され、好ましくは上側支持体または電解質とこの光源との間に配置される。

第１および第２の偏光子は、それぞれ、光路上に配置された第１の偏光子および第２の偏光子を意味している。

「透過」型実施形態では、第１の偏光子は、上側偏光子である。

「反射」型実施形態では、第１の偏光子は、下側偏光子である。

「反射」型実施形態では、上側偏光子が上側アライメント層と偏光の改変なしで光を反射させる異方性電気導体（例えば、シリコン１，０，０による）の層との間に配置され、下側偏光子は、好ましくは、上側偏光子に垂直であることが想定される。下側偏光子は、上側偏光子に平行であっても良いが、これにより光強度の低下が生じる。

「反射」型実施形態では、ビーム分離器１２０、この場合４５°のビーム分離器またはプリズムもまた、下側偏光子と液晶との間に配置された状態で設けられるのが良く、入射ビームは、下側偏光子、次にビーム分離器、次に液晶を通過し、そして反射後、下側偏光子を通過しないで光センサの方向にビーム分離器を再び通過する。

好ましくは、偏光子は、扁平でありかつ入射ビームの伝搬方向に垂直である。

光センサ

好ましくはマトリックス形態であり、扁平であってアライメント層に平行な光センサ８０、代表的には、ＣＭＯＳ、ＣＣＤセンサまたは少なくとも１つのフォトダイオードの他のアレイが設けられる。ＣＭＯＳ、ＣＣＤセンサまたは少なくとも１つのフォトダイオードに結合されまたは結合されていない顕微鏡レンズもまた設けられるのが良い。この場合、焦点は、有利には、液晶層中に位置する。

好ましくは、例えばディジタル写真機材上に見受けられ、例えば１６００万画素の標準型センサが設けられ、この場合、各画素は、４μｍ×４μｍである。この場合、神経細胞の活動度が１〜４個の画素上に分散されるので、２５６×１０⁶μｍ²の全表面上に１〜４００万個の神経細胞の観察野が存在することができる。

神経細胞（ニューロン）回路網‐電解質

生物学的神経細胞回路網はサンプル１００として提供されるのがよく、このサンプル１００は例えば代表的にはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）またはポリカーボネートで作られているマイクロフルイディックセル内で電解質浴、典型的には細胞媒質中に漬かった状態にある。

「透過」型実施形態では、神経細胞回路網は、有利には異方性電気導体層と接触関係をなして異方性電気導体層と上側偏光子との間に配置される。細胞付着分子（代表的には、ポリ‐Ｌ‐リシン）の微細層または電場を極めて少ししか減衰させない絶縁体の別の微細層もまた配置され得る。

作用

電場の作用下において、液晶は、トルク力を受け、そしてこの電場の力線に従って配向させられる。

液晶は、これらの形態に応じて、入射ビームを幾分なりとも強く伝送する。これら液晶は、これら液晶に印加される電場の強度によって制御される光ダイヤフラムのように僅かに機能する。

本発明は、その特徴の故に、サンプル、この場合少なくとも１つの神経細胞のアレイの電気活動度を光センサ上に捕捉される光信号に変換されるトランスデューサとして機能する。

図１Ａおよび図１Ｂに示されているように、液晶層の一方の縁から他方の縁まで、ねじり応力が静止状態においてツイステッドネマチック液晶に及ぼされる。入射ビームの光は、一方のアライメント層から他方のアライメント層に伝送され、その偏光方向は、ネマチック（螺旋形態）と同時に変わる。

「透過」型実施形態では、静止状態では、液晶の出力のところの入射ビームの偏光は、これら液晶のＴＮ形態の故に、上側偏光子の出力のところの入射ビームの偏光に垂直である。そして、偏光子が互いに平行なので、液晶の出力のところの入射ビームの偏光軸は、下側偏光子の偏光軸に垂直であり、したがって、入射ビームは、透過の際に下側偏光子によって止められ、入射ビームは、光センサに達せず、この光センサによっては電気信号が発生せず、これは、２つのコントラストのうちの一方に従って信号を生じさせる。

公知のように、外部電圧Ｖｅｘｔが電極に印加されると、これら電極相互間に電場が作られ、これら電場の力線を受けた液晶は、これら力線と整列する。

このように、「透過」型実施形態では、外部電圧Ｖｅｘｔが液晶に印加されると、入射ビームは、液晶および下側偏光子を通過して光センサに達することができ、この光センサは、電気信号を発生させる。

光センサが画素行列（マトリックス）である事象においては、較正ステップが有利には実施され、この較正ステップでは、光センサの光応答を外部電圧Ｖｅｘｔが液晶に印加されたときにメモリに記録し、入射光は、この光センサの全てまたは一部をカバーする。

サンプルが存在しておらずしかも好ましくはサンプルベース、例えばマイクロフルイディックセルが存在している場合に外部電圧Ｖｅｘｔがこれら電極相互間に印加されたとき、光センサの光応答に一致して第１または第２の選択されたコントラストに応じて白色画像または黒色画像と呼ばれる第１の初期画像を記録することができる。

非アクティブなサンプルが存在している場合に外部電圧Ｖｅｘｔがこれら電極相互間に印加されると、光センサの光応答に一致した非アクティブな初期画像と呼ばれる第２の初期画像を記録することができる。

神経細胞が非アクティブである場合、この神経細胞は、電気信号を発生しないが、神経細胞がアクティブな場合、この神経細胞は、大きさが特に細胞本体の付近において最大約１００ｍＶである電気信号を発生させる。

実際、全ての神経細胞は、原形質膜の各側の神経細胞の細胞内媒質と細胞外媒質との負荷平衡に対応した静止状態を提供する。回路網内の神経細胞は、活動電位の形態をした情報を広めることによって互いに情報のやり取りをする。

膜状イオンチャンネルを通る電荷の流れによって活動電位が生じ、それにより膜の局所脱分極またはこれら電荷のアンバランスが生じ、この局所脱分極またはアンバランスは、次第に広がる。

両方の場合（アクティブまたは非アクティブ）、膜を抵抗器Ｒｍと並列に設けられたキャパシティＣｍによって表すことができ、コンデンサの２つのアーマチュアは、細胞内媒質および細胞外媒質を表し、抵抗器は、イオンチャンネルを通るイオンの流れをモデル化している。

アクティブな状態の神経細胞の膜電位を抵抗器Ｒｎと直列に設けられた電圧源Ｖｎによって表すことができ、全体は、上述の回路ＲＣと並列である。

活動電位が通過する神経細胞の場合、膜電位の差は、静止電位に対応した−３０ｍＶの値から＋７０ｍＶまで進んで１００ｍＶの大きさに達し、これは、１００ｍＶの値を神経細胞の最大励起状態に対応したＶｎに起因すると考えることによって回路内に示されている。

これとは逆に、神経細胞が静止（非アクティブ）の状態にあるとき、膜電位は、一定のままであり、これは、Ｖｎ＝０Ｖと定めることによって低状態と関連している。

生体外培養の場合、神経細胞は、培養器チャンバを経て装置の残部と接触状態にあり、この培養基チャンバ内において、これら神経細胞は、これらの媒質内に浸されている（Neurobasal（登録商標）、導電率ｓ〜１ Ｓ．ｍ^-1の電解質溶液）。上側電極と神経細胞との間の距離は、有利には一定の抵抗器Ｒｅによって表されるが、システムの幾何学的形状に応じて可変であっても良い。

一実施形態では、培養基ウェル、すなわち、細胞を含む例えばＰＤＭＳ内のサンプルは、円筒形の形態をしたウェルであり、この場合半径が５ｍｍ、高さが０．５ｃｍである。

抵抗器の値Ｒｅは、神経細胞を収容した培養基ウェルの幾何学的形状で決まり、この値は、Ｒｅ＝ｒｈｏ・１／Ａによって与えられ、ｒｈｏは、用いられる培養基の抵抗率であり、ｌは、ウェルの高さであり、Ａは、その表面積である。この場合、Ｒ＝５ｍｍである。

異方性導体は、有利には、隔離マトリックス内に封入された垂直導体の規則的なグリッドである。有利には、これら導体は、ナノワイヤである。各ナノワイヤの挙動をこの幾何学的形状（長さｌおよび半径ｒ_nf）および用いられる材料の抵抗率に応じて抵抗器Ｒ_nfによって説明することができる。
Ｒ_nf＝ｒｈｏ_nf・ｌ／（Ｐｉ・ｒ_nf ²）ただし、ｒｈｏ_nfは、ナノワイヤの抵抗率である。

試験対象の神経細胞に連結されるとともに電気信号をこのアクティブ神経細胞から液晶層に局所的に伝送するナノワイヤの本数ｎは、次式によって与えられる。
ｎ＝（ｒ_nf（４−２√２）＋２ｅ＋２√２ｒ_n）／（４ｒ_nf＋２ｅ）
上式において、ｅは、異方性材料のナノワイヤ相互間の間隔であり、ｒ_nは、神経細胞の半径である。

試験対象の神経細胞に並列に接続されたこれらｎ本のナノワイヤのアレイの等価抵抗Ｒ_acを定める際、Ｒ_ac＝Ｒ_nf／ｎが存在する。

高い周波数（代表的には、１０ｋＨｚを超える）では、ツイステッドネマチック形態の液晶セルをコンデンサＣ_lc1が別のコンデンサＣ_lc2の直列の抵抗器Ｒｃｌと並列に位置することによってモデル化できる。

装置の全体に印加される外部電場は、有利には可変大きさＶｅｘｔおよび０．１Ｈｚ〜１００ＧＨｚの、この場合１００ｋＨｚの周波数Ｆの方形信号を送り出す交流電源ＡＣである。

等価電気モデルを単純化するため、接触部の全ての抵抗を無視したが、これらを引き起こされる電位の低下が０．００１Ｖを超える場合、モデルで再検討することができる。

次に、液晶層によって見える電圧は、これら全てのパラメータＶｃｌに応じて表される。

インピーダンスモジュールＺ_clが液晶層の全体と等価である場合、次式が成り立つ。

上式において、ωは、ω＝２ＰｉＦ（Ｆは、周波数）によって与えられる角周波数であり、Ｚｍは、神経細胞の膜の抵抗ＲｍおよびキャパシティＣｍの並列関連性に等価なインピーダンスであり、したがって次式が成り立つ。

用いられる液晶セルの電気光学曲線Ｔ＝ｆ（Ｖ）が所与の場合、装置全体を通って伝送される光の強度（Ｔ）を光センサにより取り出すことができる。

この場合、しきい値電圧Ｖ_thと飽和電圧Ｖ_satとの間にはＴ＝０．８Ｖ_cl−１．１が存在する。

印加された電圧Ｖｅｘｔに関し神経細胞のないシステムの光強度Ｔ_blackの場合、値Ｖｅｘｔは、好ましくは、（Ｔ_on−Ｔ_off）／Ｔ_black＞Ｓであるように選択される。ただし、Ｓは、光センサの感度であり、Ｔ_onは、印加された電圧Ｖｅｘｔの場合、アクティブな神経細胞を含むシステムの光学強度であり、Ｔ_offは、印加された電圧Ｖｅｘｔの場合、非アクティブな神経細胞を含むシステムの光学強度である。

アクティブな神経細胞の電気信号は、２つの電極相互間に生じていてこの神経細胞が浸っている電場を局所的に乱す。本発明は、電場のこの局所動揺または変更を検出する。

実際、外部電圧Ｖｅｘｔの値に依存する定常照明時の液晶の光応答（透過率）は、２本の曲線に従って、すなわち、神経細胞が非アクティブである曲線Ｔｏｆｆおよび神経細胞がアクティブであって１００ｍＶの電圧の差を生じさせる曲線Ｔｏｎに従って図２に示されており、そしてこの電圧の差は、外部電圧Ｖｅｘｔに加えられる。光センサによって測定された光応答の形態は、全体として、神経細胞がアクティブであるにせよ非アクティブであるにせよいずれにせよ、Ｖｅｘｔについて電圧源の周波数とは無関係である。

外部電圧のＶｅｘｔのしきい値Ｖｔｈ未満では、または飽和値Ｖｓａｔを超えると、光透過率Ｔは、一定の源の強度では実質的に一定である。値ＶｔｈおよびＶｓａｔは、特に液晶のタイプで決まり、これら値は、既知である場合がありまたは測定によって求めることができる。したがって、好ましくは、外部電圧Ｖｅｘｔの値は、Ｖｔｈ＜Ｖｅｘｔ＜Ｖｓａｔであるように調節される。

これらの条件において、外部電圧Ｖｅｘｔの値＝Ｖｅｘｔ＿１、この場合約２Ｖである場合、入射ビームが非アクティブ神経細胞１００＿Ｉを通過するときに光透過率の値Ｔｏｆｆ＿１が観察され、入射ビームがアクティブ神経細胞１００＿Ａを通過するときには光透過率の値Ｔｏｎ＿１が観察される。用いられる実験条件に従って、Ｔｏｆｆ＿１とＴｏｎ＿１との透過率の差がセンサ感度を０．１％であるとした場合に８％であることを示すことができた。

透過率のこの差は、少なくとも１つの神経細胞がアクティブであるときの光センサにより撮像される像と非アクティブ初期像の差を伴う。光センサの１つの画素から数個の画素のアレイによって検出される単一の神経細胞の活動度を想像することが可能である。

サンプル中のアクティブ神経細胞の位置とこの活動度を検出する光センサの１つまたは複数の光受信器の位置の対応関係は、各異方性電気導体の異方性によって保証される。

少なくとも１つの神経細胞のアレイのアクティブ化（自然または誘導）は、電場の値を局所的に改変し、その結果、かかるアクティブ神経細胞の垂直方向上方に位置する液晶は、形態を変えるとともに力線の方向に平行に入射ビームの伝搬方向に整列し、液晶層を通る入射ビームの透過を可能にする。注目されるべきこととして、形態を変える液晶は、アクティブ神経細胞の「垂直方向上方に」位置し、と言うのは、入射ビームの伝搬方向は、異方性電気導体に起因して力線の方向に平行でありかつアライメント層に垂直だからである。各異方性電気導体の伝搬方向だけが偏光子に対して垂直ではない場合、光センサによって得られる像の中にオフセットが作られまたは食い違いが生じ、これは較正によって処理できる。

本発明により、個々の神経細胞の活動度と数百万という多くの数の神経細胞を含む神経細胞の回路網内の神経細胞のアレイの活動度を同時に観察することができる。

また、神経細胞または神経細胞のアレイの活動度を大規模に、大きな観察野で、すなわち、その集合体中の神経細胞の回路網の尺度で観察することができ、ただし、神経細胞のネットワークの表面が光センサの表面に実質的に等しく、例えば８ｃｍ²の表面に等しいことを条件とする。

支持体１１０と光センサ８０との間に位置決めされた、少なくとも１つのレンズのアレイを有する光ブロックが設けられるのが良く、このセンサ８０の表面は、サンプルの表面よりも小さいのが良い。

神経細胞の表面は、約７５μｍ²である。光センサが約１．７μｍ²の画素を有する場合、光学分解能の問題が生じない。

有利には、本発明で得られる画像をレンズなしで実現できる。

また、本発明は、サンプルと接触関係をなさず、したがって、本発明は、サンプルに関して非破壊的である。

本発明は、上述した実施形態には限定されず、と言うのは、これら実施形態のうちの任意の１つとの組み合わせにおいて、例えば光ファイバの形態をした少なくとも１つの光導波路の集成体もまた設けることができ、それにより入射ビームを支持体１１０の出力と光センサ８０との間で案内することができ、効果的にこの光センサをシフトさせることができる。

１０ 光源
２０ 上側偏光子
２１ 下側偏光子
３０ 液晶
４０ 異方性電気導体層
４１ 個々の異方性電気導体
５０ 上側アライメント層
５１ 下側アライメント層
６０ 上側電極
６１ 下側電極
７０ 外部交流電源
８０ 光センサ
９０ 入射光
１００ サンプル
１００＿Ａ アクティブなサンプル
１００＿Ｉ 非アクティブなサンプル
１１０ サンプルベース
１２０ ビーム分離器

Claims (10)

1. サンプル（１００）によって局所的に生じる電場の光検出のための電気光学装置であって、前記電気光学装置は、
   ‐交流電源（７０）を有し、
   ‐直線上側偏光子（２０）および直線下側偏光子（２１）を有し、
   ‐互いに垂直な２つのアライメント方向を有する上側アライメント層（５０）と下側アライメント層（５１）との間に位置する液晶層（３０）を有し、
   ‐前記交流電源（７０）に電気的に接続された上側電極（６０）および下側電極（６１）を有し、前記上側電極（６０）および前記下側電極（６１）は、前記交流電源によって前記電極相互間に電位差（Ｖｅｘｔ）が印加されると、電場が前記２つの電極相互間に作られるよう配置され、前記液晶層は、前記電場中に包み込まれるように位置し、
   ‐前記電極（６０，６１）相互間に配置された異方性電気導体の層（４０）を有する、電気光学装置において、
   ‐前記サンプル（１００）は、前記２つの電極相互間に作られた前記電場内に包み込まれるように位置し、
   ‐光センサ（８０）の方向に単色光の状態で入射ビーム（９０）を、前記液晶層（３０）を通る前記入射ビームの透過または反射によって放出するよう構成された光源（１０）を有し、
   ‐前記液晶層（３０）は、アクティブな可変偏光度を有し、
   ‐前記異方性電気導体の層（４０）は、前記２つの電極相互間に作られた前記電場を、前記アライメント層に交差する単一の伝搬方向に送るよう構成され、
   前記異方性電気導体層は、前記上側アライメント層と接触状態に配置されまたは前記上側偏光子によって前記上側アライメント層から隔てられている、電気光学装置。
2. 前記サンプル（１００）は、前記上側電極（６０）および前記下側電極（６１）とは接触していない、請求項１記載の電気光学装置。
3. 前記上側電極（６０）および前記下側電極（６１）は、前記外部電圧（Ｖｅｘｔ）が前記交流電源（７０）から印加されると、前記サンプル（１００）、前記異方性電気導体層（４０）および前記液晶層（３０）が少なくとも、前記２つの電極を互いに連結する前記電場の力線の少なくとも何割かを受けるよう配置され、前記サンプル（１００）によって局所的に生じた前記電場は、前記２つの電極相互間に作られた前記電場を乱す、請求項１または２記載の電気光学装置。
4. 前記サンプル（１００）は、生物学的神経細胞回路網を含む、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の電気光学装置。
5. 前記上側偏光子（２０）と前記下側偏光子（２１）は、互いに平行でありかつ前記液晶層（３０）の各側にそれぞれ配置されている、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の電気光学装置。
6. 前記上側偏光子（２０）と前記下側偏光子（２１）は、互いに垂直であり、前記上側偏光子は、前記上側アライメント層（５０）と前記異方性電気導体層（４０）との間に配置され、前記電気光学装置は、光源から来た入射ビーム（９０）を方向付けるよう構成されたビーム分離器（１２０）を更に有し、前記入射ビーム（９０）は、前記下側偏光子（２１）から前記ビーム分離器（１２０）を通り、次に前記液晶（３０）を次々に通ることによって前記下側偏光子（２１）を通って前記液晶層（３０）の方に進み、そして、前記異方性電気導体層（４０）での反射後、再び、前記液晶層（３０）を通り、オプションとして前記下側偏光子（２１）を通らないで前記ビーム分離器（１２０）、および光センサ（８０）を通る、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の電気光学装置。
7. 前記入射ビーム（９０）は、光路を進み、前記第１のアライメント層のアライメント方向は、前記入射ビーム（９０）の前記光路上で出会う前記第１の偏光子の偏光方向に平行である、請求項１〜６のうちいずれか一に記載の電気光学装置。
8. 前記液晶層（３０）を通る前記光ビームの透過または反射後、前記光源（１０）の前記光ビーム（９０）を検出するよう構成された前記光センサ（８０）を更に有する、請求項１〜７のうちいずれか一に記載の電気光学装置。
9. 前記液晶（３０）は、３７℃でネマチックである液晶ＰＣＨ５であり、前記外部電圧（Ｖｅｘｔ）は、２Ｖ〜５Ｖである、請求項１〜８のうちいずれか一に記載の電気光学装置。
10. メモリと、プログラム可能なコンピュータとを更に有し、前記プログラム可能なコンピュータは、
    ‐前記メモリ内に、
    ‐前記サンプル（１００）が電場を放出しないときに、前記液晶（３０）の光応答に対応した非アクティブな初期画像、および
    ‐前記サンプル（１００）が電場を局所的に放出したときに、前記液晶（３０）の光応答に対応したアクティブな画像、を記録し、また、
    ‐前記非アクティブな初期画像と前記アクティブな画像との差を計算する、ためのプログラムコード命令を含む、請求項１〜９のうちいずれか一に記載の電気光学装置。

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