JP7299610B2 - 小型撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は小型撮像装置に関する。

従来から、光によって生体を制御する技術の開発が行われている。非特許文献１に記載されているように、Inscopix社製のnVokeという小型内視鏡では、生きた動物の脳内に光を照射し、神経活動の光観察と光操作を同時に行うことができる。
しかし、この小型内視鏡では、光源としてＬＥＤが装置内部に埋め込まれているため、動物の脳内に照射される光の波長を変えることができず、神経細胞において限られた光感受性分子しか用いることができない。

Alice M. Stamatakis他著、「SimultaneousOptogenetics and Cellular Resolution Calcium Imaging During Active Behavior Using a Miniaturized Microscope」、２０１８年７月２４日発行、１２巻、４９６号、ｐ．１～１６

上述した問題点に鑑み、本発明は、被検体の脳に照射される光の波長を変更することによって、様々に波長感受性の異なる光操作・観察分子を同時に利用可能にすることができる小型撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、被検体の脳に光を照射し、前記光が照射された前記被検体の脳の神経活動の光観察を行う小型撮像装置であって、前記被検体の脳に照射される前記光である照射光の光源部が接続される入力部と、前記入力部から延びている前記照射光の光路に配置された出力部と、前記照射光が照射された前記被検体の脳からの光である観察光の光路上に配置された撮像部とを備え、前記照射光は、前記出力部を介して前記被検体の脳に照射され、前記被検体の脳からの前記観察光は、前記出力部を介して前記撮像部に到達し、前記小型撮像装置内における前記照射光の光路には、前記小型撮像装置の入力部の側の部分である入力部側部分と、前記小型撮像装置の出力部の側の部分である出力部側部分とが含まれ、前記小型撮像装置内における前記観察光の光路には、前記撮像部の側の部分である撮像部側部分と、前記小型撮像装置の出力部の側の部分である出力部側部分とが含まれ、前記照射光の光路の出力部側部分と、前記観察光の光路の出力部側部分とは、同軸上に配置され、前記小型撮像装置は、前記照射光の光路の出力部側部分と前記入力部側部分との境界位置であって、前記観察光の光路の出力部側部分と前記撮像部側部分との境界位置に配置され、前記照射光を反射するダイクロイックミラーと、前記照射光の光路の前記入力部側部分上に配置され、前記入力部に入力された前記照射光を全反射する全反射ミラーとを更に備え、前記ダイクロイックミラーは、前記全反射ミラーが全反射した前記照射光を反射し、前記ダイクロイックミラーが反射した前記照射光は、前記出力部を介して前記被検体の脳に照射され、前記全反射ミラーは、全反射光が、前記観察光の光路に対して垂直に進むように前記照射光の光路の前記入力部側部分上に配置される、小型撮像装置である。

本発明の一態様の小型撮像装置は、前記光源部を更に備え、前記光源部は、光コンバイナを備え、前記光コンバイナは、少なくとも第１波長を有する第１照射光を発する第１光源が接続される第１入力部と、前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２照射光を発する第２光源が接続される第２入力部と、前記入力部が接続される光コンバイナ出力部とを備え、前記光コンバイナは、前記第１照射光と前記第２照射光とを結合し、前記第１波長および前記第２波長とは異なる第３波長を有する第３照射光を、前記照射光として前記光コンバイナの出力部から出力する機能を有してもよい。

本発明の一態様の小型撮像装置では、前記照射光の光路の入力部側部分の全体が、前記照射光の光路の出力部側部分に垂直に延びていてもよい。

本発明の一態様の小型撮像装置では、前記観察光の光路の前記撮像部側部分上に配置された他のダイクロイックミラーと、他の撮像部とを更に備え、前記観察光の一部は、前記ダイクロイックミラーを透過し、次いで、前記他のダイクロイックミラーを透過して前記撮像部に到達し、前記観察光の他の一部は、前記ダイクロイックミラーを透過し、次いで、前記他のダイクロイックミラーによって反射され、前記他の撮像部に到達してもよい。

本発明の一態様の小型撮像装置は、前記光源部を制御する制御部を更に備え、前記制御部は、前記光コンバイナの出力部から出力される前記照射光の波長が予め設定された時間間隔で切り替わるように、前記第１光源と前記第２光源とを制御してもよい。

本発明の一態様の小型撮像装置では、前記時間間隔が変更可能であってもよい。

本発明によれば、被検体の脳に照射される光の波長を変更することによって、様々に波長感受性の異なる光操作・観察分子を同時に利用可能にすることができる小型撮像装置を提供することができる。

第１実施形態の小型撮像装置の主要部の一例を示す図である。 第１実施形態の小型撮像装置の主要部の一例を示す図である。 第１実施形態の小型撮像装置の光源部と入力部との関係の一例を示す図である。 第１実施形態の小型撮像装置の機能ブロックなどの一例を示す図である。 第２実施形態の小型撮像装置の機能ブロックなどの一例を示す図である。 第３実施形態の小型撮像装置の機能ブロックなどの一例を示す図である。 第４実施形態の小型撮像装置の機能ブロックの一例を示す図である。 注入されたＣＡ１領域におけるjGCaMP7cの発現を示す図である。 ＣＮＭＦ－Ｅアルゴリズムによって識別されるニューロンを示す図である。 ７個のニューロンにおけるカルシウムイオンイベントの蛍光変化率トレースを示す図である。 オレンジ色のレーザ光が３０秒のＯＮ／ＯＦＦサイクルで照射された場合の個々のニューロンにおけるカルシウムイオン蛍光シグナルの総和などを示す図である。 オレンジ色のレーザ光のＯＮ期間中におけるカルシウムイオン蛍光シグナルに変化がないことを示す図である。 jGCaMP7cおよびJawsのニューロン共発現が、注入されたＣＡ１領域においては示されたが、反対側のＣＡ１領域においては示されなかったことを示す図である。 ＣＮＭＦ－Ｅアルゴリズムによって識別されるニューロンを示す図である。 ７個のニューロンにおけるカルシウムイオンイベントの蛍光変化率トレースを示す図である。 オレンジ色のレーザ光が３０秒のＯＮ／ＯＦＦサイクルで照射された場合の個々のニューロンにおけるカルシウムイオン蛍光シグナルの総和などを示す図である。 オレンジ色のレーザ光のＯＮ期間中にカルシウムイオン蛍光シグナルが大幅に低下したことを示す図である。

以下、本発明の小型撮像装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
図１および図２は第１実施形態の小型撮像装置１の主要部の一例を示す図である。図３は第１実施形態の小型撮像装置１の光源部１Ａと入力部１Ｂとの関係の一例を示す図である。図４は第１実施形態の小型撮像装置１の機能ブロックなどの一例を示す図である。詳細には、図１（Ａ）は第１実施形態の小型撮像装置１の主要部を左前側かつ上側から見た斜視図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ－Ａ線に沿った断面などを示す図であり、図２（Ａ）は第１実施形態の小型撮像装置１の主要部を左前側かつ上側から見た透視図であり、図２（Ｂ）は第１実施形態の小型撮像装置１の主要部を左前側かつ下側から見た透視図である。図４（Ａ）は第１実施形態の小型撮像装置１の機能ブロックを示す図であり、図４（Ｂ）は第１実施形態の小型撮像装置１の照射光の光路１１および観察光の光路１２を示す図である。
図１～図４に示す例では、小型撮像装置１が、被検体の脳に光（例えばレーザ光）を照射し、その光が照射された被検体の脳の神経活動の光観察を行う。小型撮像装置１は、被検体の脳に照射される光である照射光の光源部１Ａと、入力部１Ｂと、全反射ミラー１Ｃと、ハーフドラムレンズ１Ｄと、ダイクロイックミラー１Ｅと、出力部１Ｆと、吸収フィルタ（emission filter）１Ｇと、アクロマチックレンズ１Ｈと、フォーカス機構（focusing mechanism）１Ｉと、撮像部１Ｊとを備えている。
図１～図４に示す例では、小型撮像装置１が光源部１Ａを備えているが、他の例では、光源部１Ａが、小型撮像装置１に含まれず、小型撮像装置１の外部の部品であってもよい。

図１～図４に示す例では、光源部１Ａが、光コンバイナ１Ａ１と、第１光源１Ａ２と、第２光源１Ａ３とを備えている。第１光源１Ａ２は、第１波長を有する第１照射光（例えば青色のレーザ光）を発する。第２光源１Ａ３は、第１波長とは異なる第２波長を有する第２照射光（例えばオレンジ色のレーザ光）を発する。
光コンバイナ１Ａ１は、第１光源１Ａ２が発した第１照射光と、第２光源１Ａ３が発した第２照射光とを結合する機能を有する。つまり、光コンバイナ１Ａ１は、第１波長および第２波長とは異なる第３波長を有する第３照射光を出力する機能を有する。光コンバイナ１Ａ１は、例えば公知の２色コンバイナと同様に構成されている。光コンバイナ１Ａ１は、出力部１Ａ１１と、入力部１Ａ１２と、入力部１Ａ１３とを備えている。
入力部１Ａ１２には、第１光源１Ａ２が接続される。入力部１Ａ１３には、第２光源１Ａ３が接続される。出力部１Ａ１１は、第１照射光と第２照射光とが結合された第３照射光を出力する機能を有する。出力部１Ａ１１には、例えば光ファイバケーブルを介して入力部１Ｂが接続される。
図１～図４に示す例では、第１光源１Ａ２と第２光源１Ａ３とが光コンバイナ１Ａ１に接続されるが、他の例では、３以上の光源が光コンバイナ１Ａ１に接続され、光コンバイナ１Ａ１が３以上の照射光を結合して出力してもよい。

図１～図４に示す例では、入力部１Ｂに、光源部１Ａが接続される。つまり、入力部１Ｂには、光コンバイナ１Ａ１によって結合された照射光が入力される。入力部１Ｂは、光フェルール１Ｂ１を備えている。
詳細には、図３に示す例では、入力部１Ｂの光フェルール１Ｂ１と、光コンバイナ１Ａ１の出力部１Ａ１１から延びている光ファイバケーブルの端部に配置された光フェルールとが、スリーブによって結合される。また、そのスリーブによって、入力部１Ｂの光フェルール１Ｂ１と、光コンバイナ１Ａ１の出力部１Ａ１１から延びている光ファイバケーブルの端部に配置された光フェルールとの芯出しも行われる。
他の例では、図１～図４に示す例とは異なる公知の任意の手法によって、光源部１Ａが発した照射光が入力部１Ｂに入力されてもよい。

図１～図４に示す例では、小型撮像装置１のうちの図１および図２に示す部分が、被検体としての生きているマウスの頭部に装着された状態で、マウスが自由に行動できるように、小型撮像装置１が小型化・軽量化されている。
全反射ミラー１Ｃは、入力部１Ｂに入力された照射光を全反射する。その結果、全反射ミラー１Ｃからの反射光（照射光）は、後述する観察光の光路１２に対して概略垂直に進む。また、全反射ミラー１Ｃからの反射光（照射光）は、ハーフドラムレンズ１Ｄを透過する。
図１～図４に示す例では、小型撮像装置１がハーフドラムレンズ１Ｄを備えており、全反射ミラー１Ｃからの反射光（照射光）がハーフドラムレンズ１Ｄを透過するが、他の例では、小型撮像装置１が、ハーフドラムレンズ１Ｄの代わりに、ドラムレンズ、ボールレンズなどを備えていてもよい。また、更に他の例では、ハーフドラムレンズ１Ｄが省略されていてもよい。

図１～図４に示す例では、ダイクロイックミラー１Ｅが、ハーフドラムレンズ１Ｄを透過した照射光を反射する。その結果、ダイクロイックミラー１Ｅからの反射光（照射光）は、出力部１Ｆに向かって進む。詳細には、ダイクロイックミラー１Ｅからの反射光（照射光）は、出力部１Ｆを介して（出力部１Ｆを透過して）、被検体（例えばマウス、人など）の脳に照射される。
図４（Ｂ）に示すように、小型撮像装置１内における照射光の光路１１は、入力部１Ｂから出力部１Ｆまで延びている。照射光の光路１１には、小型撮像装置１の入力部１Ｂの側の部分である入力部側部分１１Ａと、小型撮像装置１の出力部１Ｆの側の部分である出力部側部分１１Ｂとが含まれる。つまり、出力部１Ｆは、照射光の光路１１のうちの入力部１Ｂの反対側（図４（Ｂ）の左下側）に配置されている。
図１～図４に示す例では、出力部１Ｆがレンズを備えていないが、他の例では、出力部１Ｆが例えばＧＲＩＮ（GRaded INdex）レンズなどのようなレンズを備えていてもよい。

図１～図４に示す例では、照射光が照射された被検体の脳からの光である観察光の光路１２上に、出力部１Ｆと、ダイクロイックミラー１Ｅと、吸収フィルタ１Ｇと、アクロマチックレンズ１Ｈと、フォーカス機構１Ｉと、撮像部１Ｊとが配置されている。図４（Ｂ）に示すように、小型撮像装置１内における観察光の光路１２には、撮像部１Ｊの側の部分である撮像部側部分１２Ａと、小型撮像装置１の出力部１Ｆの側の部分である出力部側部分１２Ｂとが含まれる。照射光の光路１１の出力部側部分１１Ｂと、観察光の光路１２の出力部側部分１２Ｂとは、同軸上に配置されている。
ダイクロイックミラー１Ｅは、上述したように照射光を反射し、被検体の脳からの観察光を透過させる。つまり、ダイクロイックミラー１Ｅは、特定の波長の光のみを反射し、それ以外の波長の光を透過させる性質を有する。ダイクロイックミラー１Ｅは、照射光の光路１１の出力部側部分１１Ｂと入力部側部分１１Ａとの境界位置であって、観察光の光路１２の出力部側部分１２Ｂと撮像部側部分１２Ａとの境界位置に配置されている。
吸収フィルタ１Ｇは、被検体の脳からの観察光と、その他の不要な散乱光などとを分離する光学素子である。詳細には、吸収フィルタ１Ｇは、ダイクロイックミラー１Ｅを透過した長波長の観察光を透過させ、その他の散乱光などを遮断する性質を有する。
図１～図４に示す例では、小型撮像装置１が吸収フィルタ（emission filter）１Ｇを備えているが、他の例では、小型撮像装置１が、吸収フィルタ（emission filter）１Ｇの代わりに、例えばバリアフィルタなどのような吸収フィルタ（emission filter）１Ｇとは異なるフィルタを備えていてもよい。更に他の例では、吸収フィルタ１Ｇが省略されていてもよい。

図１～図４に示す例では、アクロマチックレンズ１Ｈが、結像性能を低下させる色収差を取り除く光学素子である。アクロマチックレンズ１Ｈは、通常、低屈折ガラスのクラウンガラスと、高屈折率ガラスのフリントガラスとを貼り合わせることによって構成される。
図１～図４に示す例では、小型撮像装置１がアクロマチックレンズ１Ｈを備えているが、他の例では、小型撮像装置１が、色収差を取り除くために、アクロマチックレンズ１Ｈとは異なる光学素子をアクロマチックレンズ１Ｈの代わりに備えていてもよい。更に他の例では、アクロマチックレンズ１Ｈが省略されていてもよい。

図１～図４に示す例では、フォーカス機構１Ｉが、焦点合わせ（ピント合わせ）を行う。撮像部１Ｊは、被検体の脳からの観察光を電気信号に変換する。撮像部１Ｊは、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）センサ１Ｊ１を備えている。
図１～図４に示す例では、撮像部１ＪがＣＭＯＳセンサ１Ｊ１を備えているが、他の例では、撮像部１Ｊが例えばＣＣＤなどのようなＣＭＯＳセンサ１Ｊ１以外の撮像素子を備えていてもよい。

図１～図４に示す例では、観察光の光路１２が出力部１Ｆから撮像部１Ｊまで延びており、被検体の脳からの観察光は、出力部１Ｆを介して撮像部１Ｊに到達する。
図１～図４に示す例では、入力部１Ｂに入力される照射光の波長を変更することによって、被検体の脳に照射される照射光の波長を変更することができる。その結果、様々に波長感受性の異なる光操作・観察分子を同時に利用可能にすることができる。つまり、被検体の脳に照射される照射光の波長を変更することによって、波長感受性が異なる光感受性分子を用いて生きた動物の脳内での神経活動の光観察と光操作とを同時に行うことができる。
図１～図４に示す例において、ＬＥＤ光よりも狭帯域のレーザ光が被検体の脳に照射される場合には、照射光（レーザ光）の光路１１上にフィルタを配置する必要なく、被検体の脳の神経活動の光観察に適切な照射光を被検体の脳に照射することができる。
更に、図１～図４に示す例では、非特許文献１に記載された技術のようにＬＥＤが実装された回路基板が搭載されている場合よりも、小型撮像装置１の小型化および軽量化を実現することができ、被検体の動作の自由度を向上させることができる。

また、図１～図４に示す例では、第１光源１Ａ２がＯＮ状態であって第２光源１Ａ３がＯＦＦ状態のときに、第１波長を有する第１照射光（例えば青色のレーザ光）が被検体の脳に照射される。第１光源１Ａ２がＯＦＦ状態であって第２光源１Ａ３がＯＮ状態のときには、第１波長とは異なる第２波長を有する第２照射光（例えばオレンジ色のレーザ光）が被検体の脳に照射される。第１光源１Ａ２がＯＮ状態であって第２光源１Ａ３がＯＮ状態のときには、第１波長および第２波長とは異なる第３波長を有する第３照射光が被検体の脳に照射される。
すなわち、図１～図４に示す例においてレーザ光が用いられる場合には、小型撮像装置１が、ＬＥＤ光よりも狭帯域であって波長が異なる第１照射光（レーザ光）と第２照射光（レーザ光）と第３照射光（レーザ光）とを被検体の脳に照射することができる。つまり、小型撮像装置１から被検体の脳に照射されるレーザ光の波長を変更することができる。

また、図１～図４に示す例では、全反射ミラー１Ｃが照射光の光路１１の入力部側部分１１Ａ上に配置されることによって、照射光の光路１１の入力部側部分１１Ａが、小型撮像装置１の出力部１Ｆから離れる側（図１～図３、図４（Ｂ）の上側）に屈曲させられている。そのため、入力部１Ｂに接続された例えば光ファイバケーブルが被検体の頭部に当たるおそれを抑制することができ、被検体の動作の自由度を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の小型撮像装置の第２実施形態について説明する。
第２実施形態の小型撮像装置１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の小型撮像装置１と同様に構成されている。従って、第２実施形態の小型撮像装置１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の小型撮像装置１と同様の効果を奏することができる。

図５は第２実施形態の小型撮像装置１の機能ブロックなどの一例を示す図である。詳細には、図５（Ａ）は第２実施形態の小型撮像装置１の機能ブロックを示す図であり、図５（Ｂ）は第２実施形態の小型撮像装置１の照射光の光路１１および観察光の光路１２を示す図である。
図１～図４に示す例では、全反射ミラー１Ｃが照射光の光路１１上に配置されているが、図５に示す例では、全反射ミラーが照射光の光路１１上に配置されていない。詳細には、図５（Ｂ）に示すように、照射光の光路１１の入力部側部分１１Ａの全体が、照射光の光路１１の出力部側部分１１Ｂに垂直に延びている。そのため、図５に示す例では、全反射ミラー１Ｃが照射光の光路１１上に配置される場合よりも、小型撮像装置１の部品数を低減することができる。

＜第３実施形態＞
以下、本発明の小型撮像装置の第３実施形態について説明する。
第３実施形態の小型撮像装置１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の小型撮像装置１と同様に構成されている。従って、第３実施形態の小型撮像装置１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の小型撮像装置１と同様の効果を奏することができる。

図６は第３実施形態の小型撮像装置１の機能ブロックなどの一例を示す図である。詳細には、図６（Ａ）は第３実施形態の小型撮像装置１の機能ブロックを示す図であり、図６（Ｂ）は第３実施形態の小型撮像装置１の照射光の光路１１および観察光の光路１２を示す図である。
上述したように図１～図４に示す例では、小型撮像装置１が、照射光の光源部１Ａと、入力部１Ｂと、全反射ミラー１Ｃと、ハーフドラムレンズ１Ｄと、ダイクロイックミラー１Ｅと、出力部１Ｆと、吸収フィルタ１Ｇと、アクロマチックレンズ１Ｈと、フォーカス機構１Ｉと、撮像部１Ｊとを備えている。
一方、図６に示す例では、小型撮像装置１が、照射光の光源部１Ａと、入力部１Ｂと、全反射ミラー１Ｃと、ハーフドラムレンズ１Ｄと、ダイクロイックミラー１Ｅと、出力部１Ｆと、吸収フィルタ１Ｇと、アクロマチックレンズ１Ｈと、フォーカス機構１Ｉと、撮像部１Ｊとを備えるのみならず、ダイクロイックミラー１Ｋと、撮像部１Ｌと、フォーカス機構（focusing mechanism）１Ｍとを更に備えている。

図１～図４に示す例では、観察光の光路１２の撮像部側部分１２Ａが分岐していないが、図６に示す例では、観察光の光路１２の撮像部側部分１２Ａが分岐している。
図６に示す例では、ダイクロイックミラー１Ｅが、照射光の光路１１の出力部側部分１１Ｂと入力部側部分１１Ａとの境界位置であって、観察光の光路１２の出力部側部分１２Ｂと撮像部側部分１２Ａとの境界位置に配置されると共に、ダイクロイックミラー１Ｋが、観察光の光路１２の撮像部側部分１２Ａ上に配置されている。詳細には、ダイクロイックミラー１Ｋが、観察光の光路１２の撮像部側部分１２Ａの分岐位置に配置されている。
また、撮像部１Ｊおよびフォーカス機構１Ｉが、分岐している撮像部側部分１２Ａの一方に配置され、撮像部１Ｌおよびフォーカス機構１Ｍが、分岐している撮像部側部分１２Ａの他方に配置されている。
被検体の脳からの観察光の一部は、ダイクロイックミラー１Ｅを透過し、次いで、ダイクロイックミラー１Ｋを透過して撮像部１Ｊに到達する。また、被検体の脳からの観察光の他の一部は、ダイクロイックミラー１Ｅを透過し、次いで、ダイクロイックミラー１Ｋによって反射され、撮像部１Ｌに到達する。
そのため、図６に示す例では、撮像部１Ｊの感度波長帯域と撮像部１Ｌの感度波長帯域とを異ならせることによって、異なる種類の光観察を同時に行うことができる。

＜第４実施形態＞
以下、本発明の小型撮像装置の第４実施形態について説明する。
第４実施形態の小型撮像装置１は、後述する点を除き、上述した第４実施形態の小型撮像装置１と同様に構成されている。従って、第４実施形態の小型撮像装置１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の小型撮像装置１と同様の効果を奏することができる。

図７は第４実施形態の小型撮像装置１の機能ブロックの一例を示す図である。
上述したように図１～図４に示す例では、小型撮像装置１が、照射光の光源部１Ａと、入力部１Ｂと、全反射ミラー１Ｃと、ハーフドラムレンズ１Ｄと、ダイクロイックミラー１Ｅと、出力部１Ｆと、吸収フィルタ１Ｇと、アクロマチックレンズ１Ｈと、フォーカス機構１Ｉと、撮像部１Ｊとを備えている。
一方、図７に示す例では、小型撮像装置１が、照射光の光源部１Ａと、入力部１Ｂと、全反射ミラー１Ｃと、ハーフドラムレンズ１Ｄと、ダイクロイックミラー１Ｅと、出力部１Ｆと、吸収フィルタ１Ｇと、アクロマチックレンズ１Ｈと、フォーカス機構１Ｉと、撮像部１Ｊとを備えるのみならず、光源部１Ａを制御する制御部１Ｎを更に備えている。
制御部１Ｎは、光コンバイナ１Ａ１の出力部１Ａ１１から出力される照射光（つまり、入力部１Ｂに入力される照射光）の波長が予め設定された時間間隔で切り替わるように、第１光源１Ａ２と第２光源１Ａ３とを制御する。入力部１Ｂに入力される照射光の波長の切り替えが行われる時間間隔は、例えば小型撮像装置１の利用者の操作などに応じて変更可能である。
すなわち、図７に示す例では、入力部１Ｂに入力される照射光の波長の切り替えが制御部１Ｎによって行われるため、例えば小型撮像装置１の利用者は、被検体の脳の神経活動の光観察に専念しつつ、波長感受性が異なる光感受性分子を用いて生きた動物の脳内での神経活動の光観察と光操作とを行うことができる。

＜実施例＞
本発明者等は、上述した第１実施形態の小型撮像装置１などを用いることによって、生きた動物脳内の神経活動の観察と操作（活動抑制）を行った。詳細には、本発明者等は、神経活動を生きたまま観察・操作可能にする内視鏡として、上述した第１実施形態の小型撮像装置１などを用い、図８～図１７に示す研究結果を得た。つまり、本発明者等は、上述した第１実施形態の小型撮像装置１などを脳情報処理装置の一部として用いた。具体的には、本発明者等は、記憶に重要な役割を果たすマウス海馬ＣＡ１領域の神経細胞について、自由行動条件下にあるマウスの脳に、比較例の撮像装置と、第１実施形態の小型撮像装置１とを設置し、神経活動の実時間観察と任意のタイミングでの可逆的な神経活動抑制効果を確認した。

図８～図１２は比較例の撮像装置を用いた場合に得られた神経活動イメージングの特異性を示す図である。詳細には、図８は注入されたＣＡ１領域におけるjGCaMP7cの発現を示す図である。図８中の「DAPI」は染色に用いられる蛍光色素の一種であり、「jGCaMP7c」は人工的に作られた融合タンパク質の一種であり、「Jaws」は赤色光に反応するオプシンの一種である。図９はＣＮＭＦ－Ｅ（extended constrained nonnegative matrix factorization）アルゴリズムによって識別されるニューロン（赤で輪郭が描かれている。ｎ＝７）を示す図である。図１０は７個のニューロンにおけるカルシウムイオンイベントの蛍光変化率トレース（F/F0 traces of Ca²⁺ events）を示す図である。図１１の上部は、比較例の撮像装置においてオレンジ色のレーザ光が３０秒のＯＮ／ＯＦＦサイクルで照射された場合（upon orange laser light delivery (30-s on/off cycles)）の個々のニューロンにおけるカルシウムイオン蛍光シグナル（Ca²⁺ fluorescence signals）の総和を示しており、図１１の下部は、比較例の撮像装置においてオレンジ色のレーザ光が３０秒のＯＮ／ＯＦＦサイクルで照射された場合の全体のニューロンにおけるカルシウムイオン蛍光シグナルの総和を示している。図１２は比較例の撮像装置のオレンジ色のレーザ光のＯＮ期間中におけるカルシウムイオン蛍光シグナルに変化がないことを示している（ｎ＝７、one-way repeated measures ANOVA（反復測定分散分析）with Geisser-Greenhouse correction（ガイザー・グリーンハウス補正）, F(1.3, 9.1) = 0.41, p = 0.59）。詳細には、図８～図１２は、センサであるJawsという分子が無い場合は、オレンジ色のレーザ光を当てても、（青色のレーザ光で励起される）GCaMPから発せられるCaシグナルには干渉しない、すなわち光同士の干渉と、オレンジ色のレーザ光（で活性化されるJawsでなく）自体がGCaMPによる神経活動のイメージングを妨げない、ということを示している。

図１３～図１７は第１実施形態の小型撮像装置１を用いた場合に得られた自由行動中のマウスにおけるリアルタイム同時神経イメージングおよびサイレンシング（Real-time simultaneous neuronal imaging and silencing）を示す図である。詳細には、図１３は、jGCaMP7cおよびJawsのニューロン共発現（Neuronal co-expression）が、注入されたＣＡ１領域においては示されたが、反対側のＣＡ１領域においては示されなかったことを示す図である。図１４はＣＮＭＦ－Ｅアルゴリズムによって識別されるニューロン（赤で輪郭が描かれている。ｎ＝７）を示す図である。図１５は７個のニューロンにおけるカルシウムイオンイベントの蛍光変化率トレースを示す図である。図１６の上部は、第１実施形態の小型撮像装置１においてオレンジ色のレーザ光（第２光源１Ａ３が発する照射光）が３０秒のＯＮ／ＯＦＦサイクルで照射された場合の個々のニューロンにおけるカルシウムイオン蛍光シグナルの総和を示しており、図１６の下部は、第１実施形態の小型撮像装置１においてオレンジ色のレーザ光（第２光源１Ａ３が発する照射光）が３０秒のＯＮ／ＯＦＦサイクルで照射された場合の全体のニューロンにおけるカルシウムイオン蛍光シグナルの総和を示している。図１７は第１実施形態の小型撮像装置１のオレンジ色のレーザ光（第２光源１Ａ３が発する照射光）のＯＮ期間中にカルシウムイオン蛍光シグナルが大幅に低下したことを示している（ｎ＝７、one-way repeated measures ANOVA（反復測定分散分析）with Geisser-Greenhouse correction（ガイザー・グリーンハウス補正）, F(1.3, 78) = 40.0, p = 0.0002, Tukey's multiple comparisons test（テューキーの多重比較検定）, *p < 0.002）。

図１３～図１７（特に図１６および図１７）に示すように、本発明者等は、鋭意研究において、第１実施形態の小型撮像装置１の第２光源１Ａ３がＯＮ状態の期間中に生きた動物脳内の神経活動が抑制されることを確認した。
第１実施形態の小型撮像装置１は、オープンソースで公知の顕微鏡の光源入力部を改造することによって得られる。第１実施形態の小型撮像装置１は、光源部１Ａとして、あらゆる光源を許容できるため、非特許文献１に記載された小型内視鏡よりも優れた超小型脳内視鏡として利用可能である。

第１から第４実施形態の小型撮像装置１によれば、光感受性分子を投与した脳に、任意かつ複数の波長の光を同時照射することができ、それにより、神経活動を実時間で動的に変化させることができ、同時に観察を行うことができる。
第１から第４実施形態の小型撮像装置１は、任意の組み合わせの光源と接続することにより、生きた脳に対して光照射を行い、特定の神経細胞のみを活性化させてその活動を制御し、またその結果を観察するシステムに適用可能である。つまり、第１から第４実施形態の小型撮像装置１は、蛍光分子の撮像を利用するあらゆる分野において利用可能である。例えば神経科学、神経内科・外科学分野などが考えられる。

第１から第４実施形態の小型撮像装置１では、光ファイバケーブルを介して任意の外部光源への接続が可能であり、任意かつ複数の波長の光を被検体に対して照射することができる。これにより、様々に波長感受性の異なる光操作・観察分子を同時に用いることが可能となる。また、制御部１Ｎによって光源部１Ａを制御し、観察結果に応じて波長を変えるなど、リアルタイムで動的な脳状態の操作が実現できる。
第１から第４実施形態の小型撮像装置１が用いられる場合には、任意の種類の光感受性分子を組み合わせて用いることができる。また、複数の波長を使い分けることによって、異なる神経細胞群を活性化することもできる。その効果をリアルタイムで観察し効果に応じて光源部１Ａを制御することもできる。

＜適用例＞
第１から第４実施形態の小型撮像装置１の適用例では、第１から第４実施形態の小型撮像装置１の撮像部１Ｊによって撮像された被検体の脳の画像が計算機に送信され、計算機において画像認識が行われる。計算機による画像認識が行われた被検体の脳や神経細胞の状態に従い、光源部１Ａが制御部１Ｎによって制御される。光源部１Ａが出力する照射光の波長を切り替えることによって、脳が特定の状態にある場合、あるいは特定の反応があった場合のみに一部の神経細胞が活性化させられる。これによって、脳と計算機とを結ぶ動的な治療装置やBrain-machine interfaceが実現される。
第１から第４実施形態の小型撮像装置１の適用例では、動物の脳に対してリアルタイムで操作と観察を行うことにより、その情報処理メカニズムが解明される。
また、第１から第４実施形態の小型撮像装置１の適用例では、例えば、パーキンソン氏病やアルツハイマー病等の、神経活動に応じた脳深部刺激療法が実現される。
臨床応用においては、第１から第４実施形態の小型撮像装置１の形状が、用途に応じて修正される。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。上述した各実施形態および各例に記載の構成を適宜組み合わせてもよい。

１…小型撮像装置、１Ａ…光源部、１Ａ１…光コンバイナ、１Ａ１１…出力部、１Ａ１２…入力部、１Ａ１３…入力部、１Ａ２…第１光源、１Ａ３…第２光源、１Ｂ…入力部、１Ｂ１…光フェルール、１Ｃ…全反射ミラー、１Ｄ…ハーフドラムレンズ、１Ｅ…ダイクロイックミラー、１Ｆ…出力部、１Ｇ…吸収フィルタ、１Ｈ…アクロマチックレンズ、１Ｉ…フォーカス機構、１Ｊ…撮像部、１Ｊ１…ＣＭＯＳセンサ、１Ｋ…ダイクロイックミラー、１Ｌ…撮像部、１Ｍ…フォーカス機構、１Ｎ…制御部、１１…照射光の光路、１１Ａ…入力部側部分、１１Ｂ…出力部側部分、１２…観察光の光路、１２Ａ…撮像部側部分、１２Ｂ…出力部側部分

Claims (6)

1. 被検体の脳に光を照射し、前記光が照射された前記被検体の脳の神経活動の光観察を行う小型撮像装置であって、
   前記被検体の脳に照射される前記光である照射光の光源部が接続される入力部と、
   前記入力部から延びている前記照射光の光路に配置された出力部と、
   前記照射光が照射された前記被検体の脳からの光である観察光の光路上に配置された撮像部とを備え、
   前記照射光は、前記出力部を介して前記被検体の脳に照射され、
   前記被検体の脳からの前記観察光は、前記出力部を介して前記撮像部に到達し、
   前記小型撮像装置内における前記照射光の光路には、前記小型撮像装置の入力部の側の部分である入力部側部分と、前記小型撮像装置の出力部の側の部分である出力部側部分とが含まれ、
   前記小型撮像装置内における前記観察光の光路には、前記撮像部の側の部分である撮像部側部分と、前記小型撮像装置の出力部の側の部分である出力部側部分とが含まれ、
   前記照射光の光路の出力部側部分と、前記観察光の光路の出力部側部分とは、同軸上に配置され、
   前記小型撮像装置は、
   前記照射光の光路の出力部側部分と前記入力部側部分との境界位置であって、前記観察光の光路の出力部側部分と前記撮像部側部分との境界位置に配置され、前記照射光を反射するダイクロイックミラーと、
   前記照射光の光路の前記入力部側部分上に配置され、前記入力部に入力された前記照射光を全反射する全反射ミラーと
   を更に備え、
   前記ダイクロイックミラーは、前記全反射ミラーが全反射した前記照射光を反射し、前記ダイクロイックミラーが反射した前記照射光は、前記出力部を介して前記被検体の脳に照射され、
   前記全反射ミラーは、全反射光が、前記観察光の光路に対して垂直に進むように前記照射光の光路の前記入力部側部分上に配置される、
   小型撮像装置。
2. 前記光源部を更に備え、
   前記光源部は、光コンバイナを備え、
   前記光コンバイナは、少なくとも
   第１波長を有する第１照射光を発する第１光源が接続される第１入力部と、
   前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２照射光を発する第２光源が接続される第２入力部と、
   前記入力部が接続される光コンバイナ出力部とを備え、
   前記光コンバイナは、前記第１照射光と前記第２照射光とを結合し、前記第１波長および前記第２波長とは異なる第３波長を有する第３照射光を、前記照射光として前記光コンバイナの出力部から出力する機能を有する、
   請求項１に記載の小型撮像装置。
3. 前記照射光の光路の入力部側部分の全体が、前記照射光の光路の出力部側部分に垂直に延びている、
   請求項１または請求項２に記載の小型撮像装置。
4. 前記観察光の光路の前記撮像部側部分上に配置された他のダイクロイックミラーと、
   他の撮像部とを更に備え、
   前記観察光の一部は、前記ダイクロイックミラーを透過し、次いで、前記他のダイクロイックミラーを透過して前記撮像部に到達し、
   前記観察光の他の一部は、前記ダイクロイックミラーを透過し、次いで、前記他のダイクロイックミラーによって反射され、前記他の撮像部に到達する、
   請求項１または請求項２に記載の小型撮像装置。
5. 前記光源部を制御する制御部を更に備え、
   前記制御部は、前記光コンバイナの出力部から出力される前記照射光の波長が予め設定された時間間隔で切り替わるように、前記第１光源と前記第２光源とを制御する、
   請求項２に記載の小型撮像装置。
6. 前記時間間隔が変更可能である、
   請求項５に記載の小型撮像装置。

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