JP7094551B2 - Buried device for small animals - Google Patents

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本発明は、マウスやラットなどの小型動物の頭部に埋植されるデバイスに関する。 The present invention relates to a device implanted in the head of a small animal such as a mouse or rat.

新薬開発における薬の安全性や薬効評価を行うためにマウスやラットといった小型動物を用いた動物実験が行われる。近年、小型動物実験においてモニタリングデバイスを個体に装着して個体の生体活動をモニターするケースがある。そのようなモニタリングデバイスとして、例えば、ブルートゥース(登録商標)と加速度センサーを搭載したデバイスがある(例えば、非特許文献1参照)。 Animal experiments using small animals such as mice and rats will be conducted to evaluate the safety and efficacy of drugs in new drug development. In recent years, in small animal experiments, there are cases where a monitoring device is attached to an individual to monitor the biological activity of the individual. As such a monitoring device, for example, there is a device equipped with Bluetooth (registered trademark) and an accelerometer (see, for example, Non-Patent Document 1).

また、動物実験では薬効評価の条件作成の目的で個体に特定の生体活動を誘発・抑制するために試薬を投与したり、物理的な刺激を与えたりすることがあるが、定量評価を繰り返し行うことが難しいといった問題がある。この問題を解決する技術として、近年、オプトジェネティクスと呼ばれる、光刺激を用いて生体活動を誘発・抑制する手法が開発されている。例えば、マウスの頭部に埋植して使用する小型の無線オプトジェネティクスデバイスが開発されている(例えば、非特許文献2、3参照)。 In animal experiments, reagents may be administered or physical stimuli may be given to individuals to induce or suppress specific biological activities for the purpose of creating conditions for drug efficacy evaluation, but quantitative evaluation is repeated. There is a problem that it is difficult. As a technique for solving this problem, a method called optogenetics, which induces / suppresses biological activity by using light stimulation, has been developed in recent years. For example, small wireless optogenetic devices have been developed that are implanted in the head of a mouse and used (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3).

Pasquet MO et al., “Wireless inertial measurement of head kinematics in freely-moving rats,” SCIENTIFIC REPORTS, 6:35689, DOI: 10.1038/srep35689, SPRINGER NATURE, 21 October 2016, pp.1-13Pasquet MO et al., “Wireless inertial measurement of head kinematics in freely-moving rats,” SCIENTIFIC REPORTS, 6:35689, DOI: 10.1038 / srep35689, SPRINGER NATURE, 21 October 2016, pp.1-13 Park SI et al., “Soft, stretchable, fully implantable miniaturized optoelectronic systems for wireless optogenetics,” NATURE BIOTECHNOLOGY, Vol. 33, No. 12, Nature America, December 2015, pp. 1280-1286Park SI et al., “Soft, stretchable, fully implantable miniaturized optoelectronic systems for wireless optogenetics,” NATURE BIOTECHNOLOGY, Vol. 33, No. 12, Nature America, December 2015, pp. 1280-1286 Montgomery KL et al., “Wirelessly powered, fully internal optogenetics for brain, spinal and peripheral circuits in mice,” NATURE METHODS, Vol. 12, No. 10, Nature America, October 2015, pp. 969-974Montgomery KL et al., “Wirelessly powered, fully internal optogenetics for brain, spinal and peripheral circuits in mice,” NATURE METHODS, Vol. 12, No. 10, Nature America, October 2015, pp. 969-974

従来のモニタリングデバイスはサイズが大きいため個体、特に小型のマウスの頭部に埋め込むことが困難である。そのため、デバイスを皮膚に接着したり、完全に埋め込むことができずにデバイスの一部が体外に露出したりするが、それが炎症や感染症の原因となって生体へ与えるストレスが大きくなってしまう。また、複数の個体を一箇所で飼育して実験する場合において、喧嘩や毛繕いの際にデバイスが異物と認識されて他の個体や自身によってデバイスが破壊されるおそれがある。このように、従来のモニタリングデバイスは複数個体の同時モニタリングには適していないという問題がある。 Due to the large size of conventional monitoring devices, it is difficult to implant them in the heads of individuals, especially small mice. As a result, the device may adhere to the skin or may not be completely embedded and part of the device may be exposed outside the body, which may cause inflammation and infection and increase the stress on the body. It ends up. In addition, when a plurality of individuals are bred and tested in one place, the device may be recognized as a foreign substance during a fight or grooming, and the device may be destroyed by another individual or itself. As described above, there is a problem that the conventional monitoring device is not suitable for simultaneous monitoring of a plurality of individuals.

さらに、個体に特定の生体活動を誘発・抑制するための手段としてオプトジェネティクスの技術を採用することが望ましい。 Furthermore, it is desirable to adopt optogenetics technology as a means for inducing or suppressing specific biological activities in individuals.

上記問題に鑑み、本発明は、光刺激により特定の生体活動を誘発・抑制することができ、個体に完全埋植して同時に複数の個体の生体活動をモニター可能な小型動物用埋植デバイスを提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides a small animal implant device capable of inducing and suppressing specific biological activity by light stimulation, completely implanting an individual, and simultaneously monitoring the biological activity of a plurality of individuals. The purpose is to provide.

本発明の一局面に従うと、マウスやラットなどの小型動物の頭部に埋植して使用する小型動物用埋植デバイスであって、平面視で小型動物の頭骨の頭頂部領域に収まる大きさの基板を備え、基板に、小型動物の脳に光刺激を与える光刺激部、小型動物の生体情報および行動を計測するセンシング部、光刺激部およびセンシング部と外部装置との間の無線通信を行う無線通信部、および各部に電力を供給する電源部が実装されており、基板が小型動物の頭骨のブレグマおよびラムダの少なくとも一つに位置合わせするためのアライメントマークを有することを特徴とする小型動物用埋植デバイスが提供される。 According to one aspect of the present invention, it is a small animal implant device used by implanting it in the head of a small animal such as a mouse or a rat, and has a size that fits in the parietal region of the skull of the small animal in a plan view. The substrate is equipped with a light stimulating unit that gives a light stimulus to the brain of a small animal, a sensing unit that measures biological information and behavior of a small animal, a light stimulating unit, and wireless communication between the sensing unit and an external device. A small size that is equipped with a wireless communication part to perform and a power supply part that supplies power to each part, and the substrate has an alignment mark for aligning with at least one of the bregma and lambda of the skull of a small animal. Implantation devices for animals are provided.

アライメントマークは、例えば、基板を貫通する穴である。あるいは、基板において少なくともアライメントマークの部分が透明素材で形成されており、アライメントマークが基板上に印刷または刻印されていてもよい。 The alignment mark is, for example, a hole penetrating the substrate. Alternatively, at least a portion of the alignment mark on the substrate may be formed of a transparent material, and the alignment mark may be printed or engraved on the substrate.

基板の平面視形状がテーパー状であってもよい。また、基板が小型動物の頭骨の頭頂部領域の形状に適合する曲面形状の基板であってもよい。 The plan view shape of the substrate may be tapered. Further, the substrate may be a curved substrate that matches the shape of the crown region of the skull of a small animal.

電源部が、各部に電力を供給する二次電池と、外部から無線給電されて二次電池を充電する無線受電デバイスとを有していてもよい。あるいは、電源部が、各部に電力を供給する二次電池と、発電して二次電池を充電する発電デバイスとを有していてもよい。 The power supply unit may have a secondary battery that supplies electric power to each unit and a wireless power receiving device that is wirelessly supplied with power from the outside to charge the secondary battery. Alternatively, the power supply unit may have a secondary battery that supplies electric power to each unit and a power generation device that generates power and charges the secondary battery.

本発明によると、光刺激により特定の生体活動を誘発・抑制することができ、個体に完全埋植して同時に複数の個体の生体活動をモニターすることができる。 According to the present invention, a specific biological activity can be induced / suppressed by light stimulation, and the biological activity of a plurality of individuals can be monitored at the same time by completely implanting the individual.

本発明の一実施形態に係る小型動物用埋植デバイスの平面図Top view of the planting device for small animals according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る小型動物用埋植デバイスの機能構成の一例を表すブロック図A block diagram showing an example of the functional configuration of a planting device for small animals according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る小型動物用埋植デバイスの機能構成の別例を表すブロック図A block diagram showing another example of the functional configuration of the planting device for small animals according to the embodiment of the present invention. マウスの頭骨の平面図Top view of mouse skull マウスの頭部に小型動物用埋植デバイスの埋植した例を示す図Figure showing an example of implanting a small animal implant device in the head of a mouse 小型動物用埋植デバイスを埋植したマウスの頭部の矢状面図Sagittal view of the head of a mouse implanted with a small animal implantation device 小型動物用埋植デバイスを埋植した個体を用いた薬効評価試験(光刺激による疾患誘発時)の模式図Schematic diagram of drug efficacy evaluation test (during disease induction by photostimulation) using an individual in which an implant device for small animals was implanted 小型動物用埋植デバイスを埋植した個体を用いた薬効評価試験(モニタリング時)の模式図Schematic diagram of drug efficacy evaluation test (during monitoring) using an individual in which an implant device for small animals was implanted 変形例に係る小型動物用埋植デバイスの平面図Plan view of a small animal implant device according to a modified example

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, more detailed explanation than necessary may be omitted. For example, detailed explanations of already well-known matters and duplicate explanations for substantially the same configuration may be omitted. This is to avoid unnecessary redundancy of the following description and to facilitate the understanding of those skilled in the art.

なお、発明者は、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。また、図面に描かれた各部材の寸法、厚み、細部の詳細形状などは実際のものとは異なることがある。 It should be noted that the inventor intends to limit the subject matter described in the claims by those skilled in the art by providing the accompanying drawings and the following description in order to fully understand the present invention. do not have. In addition, the dimensions, thickness, detailed shape of details, etc. of each member drawn in the drawing may differ from the actual ones.

本発明の一実施形態に係る小型動物用埋植デバイスは、マウスやラットなどの小型動物の頭部に完全埋植できるように小型化、薄型化、軽量化したデバイスである。以下、便宜のため、マウス用の埋植デバイスの例について説明する。 The planting device for small animals according to one embodiment of the present invention is a device that has been made smaller, thinner, and lighter so that it can be completely implanted in the head of a small animal such as a mouse or a rat. Hereinafter, for convenience, an example of an implantable device for a mouse will be described.

≪構造≫
まず、本発明の一実施形態に係る小型動物用埋植デバイスの構造について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る小型動物用埋植デバイス100の平面図である。小型動物用埋植デバイス100は、基板10に電子部品、バッテリー、各種センサが実装されて構成される。なお、生体に完全埋植することを考慮して、小型動物用埋植デバイス100を、高生体適合性を有する薄膜、例えば、パラキシリレン系ポリマーを主成分とする厚さおよそ1~2ミクロンの保護被膜で全体的に被覆している。完全埋植とは、小型動物用埋植デバイス100の一部がマウスの体外に露出することなく、小型動物用埋植デバイス100全体がマウスの体内に埋め込まれることをいう。
≪Structure≫
First, the structure of the planting device for small animals according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a plan view of a small animal planting device 100 according to an embodiment of the present invention. The planting device 100 for small animals is configured by mounting electronic components, a battery, and various sensors on a substrate 10. In consideration of complete implantation in a living body, the small animal implantation device 100 is protected by a thin film having high biocompatibility, for example, a thickness of about 1 to 2 microns containing a paraxylylene-based polymer as a main component. It is totally covered with a film. Complete implantation means that the entire small animal implantation device 100 is embedded in the mouse body without exposing a part of the small animal implantation device 100 to the outside of the mouse body.

基板10は、テーパー状あるいは略卵型の平面視形状をしており、その大きさは、テーパー底部からテーパー先端部までの長さ(図1において左右方向)がおよそ1cm、テーパー底部における幅(図1において上下方向)がおよそ1cmであり、厚みはおよそ100ミクロンである。後述するように、小型動物用埋植デバイス100をマウスの頭部に埋植する際には、テーパー先端部がマウスの前頭部を向き、テーパー底部がマウスの後頭部を向くように、小型動物用埋植デバイス100がマウスの頭骨に接触した状態で固定(接着)される。このように、基板10は、平面視でマウスの頭骨の頭頂部領域に収まる大きさである。さらに、基板10は、マウスの頭骨の頭頂部領域の形状に適合する曲面形状をしている。なお、ここで言う頭頂部領域とは、後頭骨から前頭骨に亘る領域のことを差す。詳しくは後述する。 The substrate 10 has a tapered or substantially oval shape in a plan view, and its size is such that the length from the bottom of the taper to the tip of the taper (horizontal direction in FIG. 1) is about 1 cm, and the width at the bottom of the taper (). In FIG. 1, the vertical direction) is about 1 cm, and the thickness is about 100 microns. As will be described later, when implanting the small animal implantation device 100 in the head of a mouse, the small animal has a tapered tip facing the front of the mouse and the bottom of the taper facing the back of the mouse. The implantable device 100 is fixed (adhered) in contact with the skull of the mouse. As described above, the substrate 10 has a size that fits in the parietal region of the skull of the mouse in a plan view. Further, the substrate 10 has a curved surface shape that matches the shape of the crown region of the skull of the mouse. The crown region referred to here refers to a region extending from the occipital bone to the frontal bone. Details will be described later.

基板10において、テーパー先端部とテーパー底部とを結ぶ中心線上において、基板10の略中央とテーパー底部近傍とにそれぞれアライメントマーク11、12が設けられている。具体的には、アライメントマーク11、12は基板10を貫通するように開けられた直径1mm~数mmの穴である。アライメントマーク11は、基板10をマウスの頭骨のブレグマに位置合わせするためのマークである。アライメントマーク12は、基板10をマウスの頭骨のラムダに位置合わせするためのマークである。図1ではアライメントマーク11、12は加工のし易さを考慮して円形にしているが、これに限られずアライメントマーク11、12を他の形状、例えば、十字形状にしてもよい。なお、アライメントマーク11、12を用いた小型動物用埋植デバイス100の位置合わせについては後述する。 In the substrate 10, alignment marks 11 and 12 are provided at substantially the center of the substrate 10 and near the bottom of the taper on the center line connecting the tip of the taper and the bottom of the taper, respectively. Specifically, the alignment marks 11 and 12 are holes having a diameter of 1 mm to several mm formed so as to penetrate the substrate 10. The alignment mark 11 is a mark for aligning the substrate 10 with the bregma of the skull of the mouse. The alignment mark 12 is a mark for aligning the substrate 10 with the lambda of the skull of the mouse. In FIG. 1, the alignment marks 11 and 12 are circular in consideration of ease of processing, but the present invention is not limited to this, and the alignment marks 11 and 12 may have other shapes, for example, a cross shape. The alignment of the small animal implant device 100 using the alignment marks 11 and 12 will be described later.

基板10は、一般的なプリント基板で実現することができる。上述した基板10の曲面形状については、例えば、3Dスキャナでマウスの頭骨サンプルの頭頂部領域をスキャンし、3Dプリンタを用いて当該頭頂部領域の形状を再現することで実現可能である。 The substrate 10 can be realized by a general printed circuit board. The curved surface shape of the substrate 10 described above can be realized, for example, by scanning the skull region of the mouse skull sample with a 3D scanner and reproducing the shape of the skull region using a 3D printer.

基板10の表面にはIC(Integrated Circuit)チップ13、ブルートゥース(登録商標)モジュール(BTモジュール)14、電源モジュール15および各種センサー16が実装されている。また、基板10の裏面には後述する図略のLED(Light Emitting Diode)が実装されている。電源モジュール15は薄型のバッテリー151を有する。電源モジュール15からICチップ13およびBTモジュール14にそれぞれ電源線が配線されている。ICチップ13とBTモジュール14間には通信線が配線されている。各種センサー16はICチップ13に配線接続されている。 An IC (Integrated Circuit) chip 13, a Bluetooth (registered trademark) module (BT module) 14, a power supply module 15, and various sensors 16 are mounted on the surface of the substrate 10. Further, an LED (Light Emitting Diode), which will be described later, is mounted on the back surface of the substrate 10. The power supply module 15 has a thin battery 151. Power lines are wired from the power supply module 15 to the IC chip 13 and the BT module 14, respectively. A communication line is wired between the IC chip 13 and the BT module 14. The various sensors 16 are wired and connected to the IC chip 13.

なお、これら構成部材のサイズ、配置位置、さらにセンサー16の個数はあくまでも一例である。特に、後述するように、センサー16にマウスの神経活動を計測する侵襲タイプのセンサーを用いる場合には、当該センサー16の配置位置は計測対象の脳内目的部位に応じて変わり得る。また、侵襲タイプのセンサーの場合、基板10の裏面から図略の電極(プローブ)が突出している。 The size, arrangement position, and number of sensors 16 of these constituent members are merely examples. In particular, as will be described later, when an invasive type sensor for measuring the neural activity of a mouse is used for the sensor 16, the arrangement position of the sensor 16 may change depending on the target site in the brain to be measured. Further, in the case of an invasive type sensor, an electrode (probe) (not shown) protrudes from the back surface of the substrate 10.

以上のように、小型動物用埋植デバイス100は、マウスの頭部に完全埋植可能なように小型化、薄型化、軽量化されている。特に重量は、標準的なマウスの体重20gに対してその1/20の1g以下であり、マウスに与えるストレスが極力小さくなるようにしている。 As described above, the small animal implantation device 100 has been made smaller, thinner, and lighter so that it can be completely implanted in the head of a mouse. In particular, the weight is 1 g or less, which is 1/20 of the weight of a standard mouse of 20 g, so that the stress applied to the mouse is minimized.

≪機能構成≫
次に、上記構造の小型動物用埋植デバイス100の機能構成について説明する。図2は、小型動物用埋植デバイス100の機能構成の一例を表すブロック図である。小型動物用埋植デバイス10は、機能ブロックとして、光刺激部101と、センシング部102、無線通信部103と、電源部104とを有する。
≪Functional configuration≫
Next, the functional configuration of the small animal implantation device 100 having the above structure will be described. FIG. 2 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the planting device 100 for small animals. The small animal implant device 10 has a light stimulating unit 101, a sensing unit 102, a wireless communication unit 103, and a power supply unit 104 as functional blocks.

光刺激部101は、マウスの脳に光刺激を与える機能要素である。小型動物用埋植デバイス100が埋植されるマウスの脳内の特定部位の神経細胞(目的細胞)は、あらかじめ遺伝子操作が行われて光感受性タンパクを発現させて光感受性が付与され、光刺激を受けると神経発火するようにされている。具体的には、光刺激部101は、上述のLED17と、LED17を駆動するLED駆動回路131とを有している。LED17の発光色として青のほか、緑や赤を使用することができる。LED17の発光色は目的に応じて適当なものを採用すればよい。LED駆動回路131は、ICチップ13にCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)技術で集積化されている。光刺激部101は、LED17を発光させることでマウスの脳に光刺激を与える。このように、光刺激部101は、オプトジェネティクスの技術を用いて、光によりマウスに特定の生体活動の誘発または抑制を自在に制御できるようになっている。 The light stimulating unit 101 is a functional element that gives a light stimulus to the mouse brain. Nerve cells (target cells) at specific sites in the brain of mice in which the implant device 100 for small animals is implanted are genetically engineered in advance to express photosensitive proteins to impart photosensitivity and photostimulation. It is designed to ignite nerves when it receives it. Specifically, the light stimulating unit 101 has the above-mentioned LED 17 and an LED drive circuit 131 for driving the LED 17. In addition to blue, green or red can be used as the emission color of the LED 17. The emission color of the LED 17 may be an appropriate one depending on the purpose. The LED drive circuit 131 is integrated in the IC chip 13 by CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology. The light stimulating unit 101 gives a light stimulus to the mouse brain by causing the LED 17 to emit light. As described above, the photostimulator 101 can freely control the induction or suppression of a specific biological activity in the mouse by light using the technique of optogenetics.

センシング部102は、マウスの生体情報および行動を計測する機能要素である。具体的には、センシング部102は、各種センサー16と、各種センサー16が計測した電気信号をデジタル値に変換するA/D変換回路132とを有している。より詳細には、センシング部102は、生体情報を計測するセンサーとして心拍センサーや体温センサーなどを有している。センシング部102は、マウスの脳内の運動野や視覚野などの目的部位にプローブを挿入して脳の特定領域の神経活動を計測する侵襲タイプのセンサーを有することもある。さらに、センシング部102は、マウスの行動を計測するセンサーとして加速度センサーやジャイロセンサーなどを有している。A/D変換回路132は、ICチップ13にCMOS技術で集積化されている。 The sensing unit 102 is a functional element for measuring biological information and behavior of a mouse. Specifically, the sensing unit 102 has various sensors 16 and an A / D conversion circuit 132 that converts electrical signals measured by the various sensors 16 into digital values. More specifically, the sensing unit 102 has a heart rate sensor, a body temperature sensor, and the like as sensors for measuring biological information. The sensing unit 102 may have an invasive type sensor that measures neural activity in a specific region of the brain by inserting a probe into a target site such as a motor area or a visual cortex in the brain of a mouse. Further, the sensing unit 102 has an acceleration sensor, a gyro sensor, and the like as sensors for measuring the behavior of the mouse. The A / D conversion circuit 132 is integrated in the IC chip 13 by CMOS technology.

無線通信部103は、光刺激部101およびセンシング部102と図略の外部装置(後述のデータ収集・解析装置としてのパソコン)との間の無線通信を行う機能要素である。具体的には、無線通信部103は、BTモジュール14で構成される。より詳細には、無線通信部103は、図略のマイクロコントローラおよびタイマーを有している。当該マイクロコントローラは、外部装置からの指示またはタイマーからのトリガーにより光刺激部101に信号を送ってLED17の点灯/消灯を切り替える。また、当該マイクロコントローラは、外部装置からの指示またはタイマーからのトリガーによりセンシング部102に信号を送って上記の各センサに計測動作を行わせ、その計測データをセンシング部102から受けて外部装置へ転送する。 The wireless communication unit 103 is a functional element that performs wireless communication between the optical stimulation unit 101 and the sensing unit 102 and an external device (a personal computer as a data collection / analysis device described later) (described later). Specifically, the wireless communication unit 103 is composed of the BT module 14. More specifically, the wireless communication unit 103 has a microcontroller and a timer (not shown). The microcontroller sends a signal to the light stimulating unit 101 by an instruction from an external device or a trigger from a timer to switch lighting / extinguishing of the LED 17. Further, the microcontroller sends a signal to the sensing unit 102 by an instruction from an external device or a trigger from a timer to cause each of the above sensors to perform a measurement operation, and receives the measurement data from the sensing unit 102 to the external device. Forward.

なお、無線通信規格としてブルートゥース(登録商標)以外に、WiFi(登録商標)、ZigBee(登録商標)、赤外線通信などを用いることができる。さまざまな無線通信規格の中でもブルートゥース(登録商標)は、スリープモードに対応しており、外部から信号を与えることによりスリープモードから復帰して各種センサー16の計測データを外部装置へ転送したのち再びスリープモードに遷移するといったように低消費電力化の点で優れている。また、ブルートゥース(登録商標)は、複数のデバイスで同時通信可能であり、複数のマウスの生体情報や行動を同時にリアルタイム観測できる点で小型動物用埋植デバイス100に好適である。 In addition to Bluetooth (registered trademark), WiFi (registered trademark), ZigBee (registered trademark), infrared communication, and the like can be used as wireless communication standards. Among various wireless communication standards, Bluetooth (registered trademark) supports sleep mode. It returns from sleep mode by giving a signal from the outside, transfers the measurement data of various sensors 16 to an external device, and then sleeps again. It is excellent in terms of low power consumption such as transitioning to a mode. In addition, Bluetooth (registered trademark) is suitable for the implantable device 100 for small animals in that it can simultaneously communicate with a plurality of devices and can simultaneously observe the biological information and behavior of a plurality of mice in real time.

電源部104は、上記各部に電力を供給する機能要素である。具体的には、電源部104は、二次電池としてのバッテリー151と、外部から無線給電されてバッテリー151を充電する無線受電デバイス152とを有する。利用可能な無線給電方式は、小型動物用埋植デバイス100を埋植したマウスを用いた実験環境を考慮して、近距離で無線給電できる小型のものであればよい。例えば、Qi(登録商標)やAirFuel(登録商標)などを用いることができる。 The power supply unit 104 is a functional element that supplies electric power to each of the above units. Specifically, the power supply unit 104 includes a battery 151 as a secondary battery and a wireless power receiving device 152 that is wirelessly supplied from the outside to charge the battery 151. The wireless power supply method that can be used may be a small one that can wirelessly supply power at a short distance in consideration of an experimental environment using a mouse in which a small animal implant device 100 is implanted. For example, Qi (registered trademark), AirFuel (registered trademark), and the like can be used.

電源部104は、無線受電デバイス152に代えて、発電してバッテリー151を充電する発電デバイスを有していてもよい。図3は、本発明の一実施形態に係る小型動物用埋植デバイス100の機能構成の別例を表すブロック図である。図3のブロック図が図2のブロック図と異なる点は、電源部104が無線受電デバイス152に代えて発電デバイス153を有している点である。小型動物用埋植デバイス100がマウスの頭部に完全埋植された状態でも発電可能なデバイスとして色素増感型太陽電池を使用することができる。当該太陽電池は赤外線で発電可能であり、赤外線はマウスの頭皮を透過するため小型動物用埋植デバイス100用の発電デバイスとして好適である。また、発電デバイス153として温度差発電デバイスを使用することも可能である。 The power supply unit 104 may have a power generation device that generates power and charges the battery 151 instead of the wireless power receiving device 152. FIG. 3 is a block diagram showing another example of the functional configuration of the small animal planting device 100 according to the embodiment of the present invention. The block diagram of FIG. 3 differs from the block diagram of FIG. 2 in that the power supply unit 104 has the power generation device 153 instead of the wireless power receiving device 152. A dye-sensitized solar cell can be used as a device capable of generating electricity even when the planting device 100 for small animals is completely implanted in the head of a mouse. The solar cell can generate electricity with infrared rays, and since infrared rays pass through the scalp of a mouse, it is suitable as a power generation device for a small animal implant device 100. It is also possible to use a temperature difference power generation device as the power generation device 153.

なお、バッテリー151として二次電池ではなく一次電池を使用することも可能である。この場合、小型動物用埋植デバイス100は再利用できずに使い捨てになるが、無線受電デバイス152や発電デバイス153が不要になることで基板10上に容量の大きな一次電池を配置することができ、小型動物用埋植デバイス100の動作可能時間を極力長く確保することができる。 It is also possible to use a primary battery as the battery 151 instead of the secondary battery. In this case, the planting device 100 for small animals cannot be reused and is disposable, but since the wireless power receiving device 152 and the power generation device 153 are not required, a primary battery having a large capacity can be arranged on the substrate 10. , The operable time of the small animal implantation device 100 can be secured as long as possible.

以上のように、小型動物用埋植デバイス100では、光刺激機能とセンシング機能を実現する回路をCMOS技術によりICチップ13にワンチップ化することで小型化、軽量化、低消費電力化を可能にしている。なお、無線通信機能もICチップ13に追加してもよいが、すでに小型、軽量、低消費電力のさまざまなBTモジュール13が比較的安価で市販されているので、市販品の中から適当なものを選択すればよい。 As described above, in the small animal implant device 100, the circuit that realizes the light stimulation function and the sensing function is integrated into the IC chip 13 by CMOS technology, which enables miniaturization, weight reduction, and low power consumption. I have to. A wireless communication function may be added to the IC chip 13, but various BT modules 13 having a small size, light weight, and low power consumption are already on the market at a relatively low price, so an appropriate one among the commercially available products is available. Just select.

≪マウスの頭部への埋植例≫
次に、小型動物用埋植デバイス100をマウスの頭部に埋植する例について説明する。図4は、マウスの頭骨の平面図である。マウス20の頭骨200において、左右の前頭骨201、左右の頭頂骨202および後頭骨203に亘る頭頂部領域は、わずかに凸曲面となっているが概ね平坦である。頭頂部領域の平面視形状は、後頭骨203から前頭骨201に向かってテーパー状の形状である。そして、頭頂部領域の大きさは、矢状方向がおよそ1cm、冠状方向がおよそ1cmである。
≪Example of implantation in the head of a mouse≫
Next, an example of implanting the small animal implantation device 100 in the head of a mouse will be described. FIG. 4 is a plan view of the skull of a mouse. In the skull 200 of the mouse 20, the parietal region extending to the left and right frontal bones 201, the left and right parietal bones 202, and the occipital bone 203 is slightly convex but generally flat. The plan view shape of the parietal region is a tapered shape from the occipital bone 203 toward the frontal bone 201. The size of the crown region is about 1 cm in the sagittal direction and about 1 cm in the coronal direction.

マウス20の頭骨200の頭頂部領域には、左右の前頭骨201の境界をなす前頭縫合204、前頭骨201と頭頂骨202との境界をなす冠状縫合205、左右の頭頂骨202の境界をなす矢状縫合206および頭頂骨206と後頭骨203との境界をなすラムダ縫合207があり、前頭縫合204、冠状縫合205および矢状縫合206の交点がブレグマ208であり、矢状縫合とラムダ縫合207との交点がラムダ209である。マウス20の頭頂部の頭皮を切開すると上記の頭頂部領域を構成する各種骨および縫合が露出する。 In the parietal region of the skull 200 of the mouse 20, the frontal suture 204 forming the boundary between the left and right frontal bones 201, the coronal suture 205 forming the boundary between the frontal bone 201 and the skull 202, and the boundary between the left and right skulls 202 are formed. There is a sagittal suture 206 and a lambda suture 207 that borders the skull 206 and the occipital bone 203, the intersection of the frontal suture 204, the coronal suture 205 and the sagittal suture 206 is the bregma 208, and the sagittal suture and the lambda suture 207. The intersection with is Lambda 209. An incision in the scalp of the crown of the mouse 20 exposes the various bones and sutures that make up the crown region.

図5は、マウス20の頭部に小型動物用埋植デバイス100の埋植した例を示す図である。図6は、小型動物用埋植デバイス100を埋植したマウス20の頭部の矢状面図である。マウス20の頭部に小型動物用埋植デバイス100を埋植するにあたって、マウス20の頭皮を切開して頭骨200の頭頂部領域を露出させ、マニピュレータなどを用いて頭骨200の所定箇所に孔を開ける。当該所定箇所は、侵襲タイプのセンサー16のプローブが差し込まれる箇所およびLED17を埋め込む箇所である。 FIG. 5 is a diagram showing an example in which a small animal implanting device 100 is implanted in the head of a mouse 20. FIG. 6 is a sagittal view of the head of the mouse 20 in which the small animal implant device 100 is implanted. When implanting the small animal implant device 100 in the head of the mouse 20, the scalp of the mouse 20 is incised to expose the crown region of the skull 200, and a hole is made in a predetermined position of the skull 200 using a manipulator or the like. Open. The predetermined location is a location where the probe of the invasive type sensor 16 is inserted and a location where the LED 17 is embedded.

上述したように、小型動物用埋植デバイス100には、基板10をマウス20の頭骨200のブレグマ208に位置合わせするための穴(アライメントマーク11)およびラムダ209に位置合わせするための穴(アライメントマーク12)が開けられている。それら穴からブレグマ208およびラムダ209が覗くように基板10を位置決めしてマウス20の頭骨200に基板10を接着剤で固定する。これにより、侵襲タイプのセンサー16のプローブおよびLED17をマウス20の頭骨200の所定位置に正確に配置することができる。マウス20の頭骨200に小型動物用埋植デバイス100を固定したら頭皮を縫合する。これにより、小型動物用埋植デバイス100がマウス20の頭部に完全埋植される。 As described above, the small animal implant device 100 has a hole (alignment mark 11) for aligning the substrate 10 with the bregma 208 of the skull 200 of the mouse 20 and a hole (alignment) for aligning the substrate 10 with the lambda 209. The mark 12) has been opened. The substrate 10 is positioned so that the Bregma 208 and the Lambda 209 can be seen through these holes, and the substrate 10 is fixed to the skull 200 of the mouse 20 with an adhesive. This allows the probe of the invasive type sensor 16 and the LED 17 to be accurately positioned in place on the skull 200 of the mouse 20. After fixing the small animal implant device 100 to the skull 200 of the mouse 20, the scalp is sutured. As a result, the small animal implantation device 100 is completely implanted in the head of the mouse 20.

≪埋植デバイスを使用した動物実験例≫
次に、本実施形態に係る小型動物用埋植デバイス100を使用した動物実験例について説明する。図7および図8は、小型動物用埋植デバイス10を埋植したマウスを用いた薬効評価試験の模式図であり、図7は、特定の個体に光刺激を与えて疾患を誘発させる様子を表し、図8は、各個体の生体情報および行動をモニタリングする様子を表す。
≪Example of animal experiment using a buried device≫
Next, an example of an animal experiment using the small animal implantation device 100 according to the present embodiment will be described. 7 and 8 are schematic views of a drug efficacy evaluation test using mice in which a small animal implant device 10 is implanted, and FIG. 7 shows a state in which a specific individual is light-stimulated to induce a disease. FIG. 8 shows how to monitor the biological information and behavior of each individual.

実験で使用する複数の個体(図7および図8の例ではマウスA~Fの6匹)の脳内の特定部位の神経細胞に対して遺伝子操作を行って光感受性タンパクを発現させて光感受性を付与しておく。そして、そのような遺伝子操作をした各個体の頭部に小型動物用埋植デバイス100を埋植しておく。小型動物用埋植デバイス100が埋植されたマウスA~Fは、図略のケージ内で同じ飼育環境で飼育される。当該ケージの側にデータ収集・解析装置としてのパソコン30が設置されている。パソコン30は、ブルートゥース(登録商標)のマスター機器として動作して、スレーブ機器としての小型動物用埋植デバイス100と個別に無線通信して各個体の生体情報や行動のセンシングデータを取得することができる。このように、小型動物用埋植デバイス100を使用した動物実験において、自由に活動することができるように集団飼育される各個体の生体活動をリアルタイムにモニターすることができるようになっている。 Photosensitivity is expressed by genetically manipulating nerve cells at specific sites in the brain of multiple individuals (6 mice A to F in the examples of FIGS. 7 and 8) used in the experiment. Is given. Then, the implanting device 100 for small animals is implanted in the head of each individual that has undergone such genetic manipulation. Mice A to F in which the small animal implantation device 100 is implanted are bred in the same breeding environment in the cage shown in the figure. A personal computer 30 as a data collection / analysis device is installed on the side of the cage. The personal computer 30 can operate as a master device of Bluetooth (registered trademark) and individually wirelessly communicate with a small animal implant device 100 as a slave device to acquire biological information and behavior sensing data of each individual. can. In this way, in animal experiments using the small animal implantation device 100, it is possible to monitor the biological activity of each individual group-reared so that they can freely act in real time.

図7を参照して、特定の個体(例えば、マウスB、C、E)に特定の疾患を誘発させる場合、実験者は、パソコン30を操作して対象となる個体を特定する。パソコン30は、特定された個体に埋植されている小型動物用埋植デバイス100に対して、ブルートゥース(登録商標)の無線通信により光刺激のコマンドを送信する。当該コマンドを受信した小型動物用埋植デバイス100は、LED17を発光させる。これにより、目的の個体がケージ内のどこにいても当該個体に光刺激を与えて疾患を誘発させることができる。 With reference to FIG. 7, when inducing a specific disease in a specific individual (for example, mice B, C, E), the experimenter operates a personal computer 30 to identify the target individual. The personal computer 30 transmits a light stimulation command to the small animal implant device 100 embedded in the specified individual by wireless communication of Bluetooth (registered trademark). Upon receiving the command, the small animal implant device 100 causes the LED 17 to emit light. This makes it possible to give a light stimulus to the target individual anywhere in the cage to induce a disease.

図8を参照して、特定の疾患を誘発させた個体(例えば、マウスB、C、E)に対して薬効評価対象の薬が投与される。薬の投与前および後において、パソコン30は、各個体に埋植された小型動物用埋植デバイス100から各個体の生体情報や行動のセンシングデータを継続的に取得している。そして、当該データを解析することで、投与した薬の効果を評価することができる。 With reference to FIG. 8, the drug to be evaluated for efficacy is administered to an individual (for example, mice B, C, E) that has induced a specific disease. Before and after administration of the drug, the personal computer 30 continuously acquires biological information and behavioral sensing data of each individual from the small animal implant device 100 implanted in each individual. Then, by analyzing the data, the effect of the administered drug can be evaluated.

≪効果≫
本実施形態によると次のような効果が奏される。
1)基板10の大きさおよび形状をマウス20の頭骨200の頭頂部領域に合わせていることから、小型動物用埋植デバイス100をマウス20の頭部に完全埋植することができる。これにより、個体に炎症や感染症を引き起こす原因を除去し、個体にストレスを与えることなく、また、個体の行動に制限を与えることなく、各個体の生体活動を正確にモニターすることができる。
2)アライメントマーク11、12により、小型動物用埋植デバイス100の取り付け位置を正確かつ容易に決めることができる。
3)外部装置(パソコン30)との間で無線通信により特定の個体に対して光刺激を与えて特定の生体活動を誘発または抑制することができ、また、複数の個体の生体活動を同時にモニターすることができる。これにより、複数個体を自然な状態で飼育しながら集団試験を行うことができる。
≪Effect≫
According to this embodiment, the following effects are achieved.
1) Since the size and shape of the substrate 10 are matched to the parietal region of the skull 200 of the mouse 20, the small animal implant device 100 can be completely implanted in the head of the mouse 20. This makes it possible to eliminate the causes of inflammation and infectious diseases in an individual, and to accurately monitor the biological activity of each individual without stressing the individual and without restricting the behavior of the individual.
2) The alignment marks 11 and 12 can accurately and easily determine the mounting position of the small animal implantation device 100.
3) It is possible to induce or suppress a specific biological activity by giving a light stimulus to a specific individual by wireless communication with an external device (personal computer 30), and simultaneously monitor the biological activity of a plurality of individuals. can do. This makes it possible to carry out a group test while breeding a plurality of individuals in a natural state.

≪変形例≫
本実施形態に係る小型動物用埋植デバイス100は次のように変形することができる。図9は、変形例に係る小型動物用埋植デバイスの平面図である。当該変形例に係る小型動物用埋植デバイス100は、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PI(透明ポリイミド)などの透明素材で形成された基板10を備えている。そして、アライメントマーク11、12は、基板10を貫通する穴ではなく、基板10上に印刷または刻印されている。小型動物用埋植デバイス100にこのような変形を加えても上記効果に何ら変わりはない。なお、図9の例ではアライメントマーク11、12は十字であるが、三角、四角、星、円などにしてもよい。また、基板10の全体を透明素材で形成する必要はなく、少なくともアライメントマーク11、12の部分が透明素材で形成されていればよい。
≪Variation example≫
The small animal implant device 100 according to the present embodiment can be modified as follows. FIG. 9 is a plan view of the planting device for small animals according to the modified example. The small animal implant device 100 according to the modification includes a substrate 10 made of a transparent material such as PET (polyethylene terephthalate) and PI (transparent polyimide). The alignment marks 11 and 12 are printed or engraved on the substrate 10 instead of the holes penetrating the substrate 10. Even if such a modification is applied to the small animal implantation device 100, the above effect does not change at all. In the example of FIG. 9, the alignment marks 11 and 12 are crosses, but they may be triangles, squares, stars, circles, or the like. Further, it is not necessary to form the entire substrate 10 with a transparent material, and at least the portions of the alignment marks 11 and 12 may be formed with a transparent material.

また、図1および図9において基板10に2つのアライメントマーク11、12を設けているが、いずれか一方を省略してもよい。すなわち、アライメントマークを一つにしてもよい。アライメントマークが少なくとも一つあれば、基板10のテーパー形状をマウス20の頭骨200の矢状方向に合わせて配置して、あとは矢状方向のオフセット位置をブレグマ208かラムダ209で決めることで、小型動物用埋植デバイス100を正確な位置に配置することができる。 Further, although the two alignment marks 11 and 12 are provided on the substrate 10 in FIGS. 1 and 9, one of them may be omitted. That is, the number of alignment marks may be one. If there is at least one alignment mark, the taper shape of the substrate 10 is aligned with the sagittal direction of the skull 200 of the mouse 20, and the offset position in the sagittal direction is determined by Bregma 208 or Lambda 209. The small animal implantation device 100 can be placed in the correct position.

以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。 As described above, an embodiment has been described as an example of the technique in the present invention. To that end, the accompanying drawings and detailed description are provided.

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。 Therefore, among the components described in the attached drawings and the detailed description, not only the components essential for problem solving but also the components not essential for problem solving in order to illustrate the above technique. Can also be included. Therefore, the fact that those non-essential components are described in the accompanying drawings or detailed description should not immediately determine that those non-essential components are essential.

また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。 Further, since the above-described embodiment is for exemplifying the technique of the present invention, various changes, replacements, additions, omissions, etc. can be made within the scope of claims or the equivalent thereof.

100…小型動物用埋植デバイス、10…基板、11…アライメントマーク、12…アライメントマーク、101…光刺激部、102…センシング部、103…無線通信部、104…電源部、151…バッテリー(二次電池の一例)、152…無線受電デバイス、153…発電デバイス、20…マウス(小型動物の一例)、200…頭骨、208…ブレグマ、209…ラムダ、30…パソコン(外部装置の一例) 100 ... Small animal implant device, 10 ... Substrate, 11 ... Alignment mark, 12 ... Alignment mark, 101 ... Photostimulation unit, 102 ... Sensing unit, 103 ... Wireless communication unit, 104 ... Power supply unit, 151 ... Battery (2) Next battery example), 152 ... wireless power receiving device, 153 ... power generation device, 20 ... mouse (example of small animal), 200 ... skull, 208 ... bregma, 209 ... lambda, 30 ... personal computer (example of external device)

Claims (7)

マウスやラットなどの小型動物の頭部に埋植して使用する小型動物用埋植デバイスであって、
平面視で前記小型動物の頭骨の頭頂部領域に収まる大きさの基板を備え、
前記基板に、
前記小型動物の脳に光刺激を与える光刺激部、
前記小型動物の生体情報および行動を計測するセンシング部、
前記光刺激部および前記センシング部と外部装置との間の無線通信を行う無線通信部、および
前記各部に電力を供給する電源部が実装されており、
前記基板が前記小型動物の頭骨のブレグマおよびラムダの少なくとも一つに位置合わせするためのアライメントマークを有する
ことを特徴とする小型動物用埋植デバイス。
It is an implant device for small animals that is used by implanting it in the head of small animals such as mice and rats.
A substrate sized to fit in the parietal region of the skull of the small animal in plan view.
On the substrate
A light stimulating unit that gives light stimulation to the brain of the small animal,
Sensing unit that measures biological information and behavior of the small animal,
A wireless communication unit that performs wireless communication between the optical stimulation unit and the sensing unit and an external device, and a power supply unit that supplies electric power to each unit are mounted.
An implantable device for small animals, characterized in that the substrate has an alignment mark for aligning with at least one of the bregma and lambda of the skull of the small animal.
前記アライメントマークが前記基板を貫通する穴である、請求項1に記載の小型動物用埋植デバイス。 The small animal implant device according to claim 1, wherein the alignment mark is a hole penetrating the substrate. 前記基板において少なくとも前記アライメントマークの部分が透明素材で形成されており、
前記アライメントマークが前記基板上に印刷または刻印されている、請求項1に記載の小型動物用埋植デバイス。
At least the portion of the alignment mark on the substrate is formed of a transparent material.
The small animal implant device according to claim 1, wherein the alignment mark is printed or engraved on the substrate.
前記基板の平面視形状がテーパー状である、請求項1ないし3のいずれかに記載の小型動物用埋植デバイス。 The planting device for small animals according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate has a tapered shape in a plan view. 前記基板が前記小型動物の頭骨の頭頂部領域の形状に適合する曲面形状の基板である、請求項1ないし4のいずれかに記載の小型動物用埋植デバイス。 The implantable device for small animals according to any one of claims 1 to 4, wherein the substrate is a curved substrate having a curved shape that matches the shape of the skull region of the small animal. 前記電源部が、前記各部に電力を供給する二次電池と、外部から無線給電されて前記二次電池を充電する無線受電デバイスとを有する、請求項1ないし5のいずれかに記載の小型動物用埋植デバイス。 The small animal according to any one of claims 1 to 5, wherein the power supply unit has a secondary battery that supplies electric power to each unit and a wireless power receiving device that is wirelessly supplied from the outside to charge the secondary battery. Buried device for. 前記電源部が、前記各部に電力を供給する二次電池と、発電して前記二次電池を充電する発電デバイスとを有する、請求項1ないし5のいずれかに記載の小型動物用埋植デバイス。 The planted device for small animals according to any one of claims 1 to 5, wherein the power supply unit has a secondary battery for supplying electric power to each unit and a power generation device for generating electric power to charge the secondary battery. ..
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