2013_performance1

春田牧人、須永圭紀、石井孔明、中島駿、河村敏和、上嶋和弘
光機能素子科学研究室
埋植型超小型脳機能イメージングデバイスによる脳機能解明
研究背景
脳機能計測用デバイス
小型デバイスの開発
脳機能イメージング
超小型脳機能イメージングデバイス
Whisker stimulation
Hind limb stimulation
行動実験中の脳血流計測
血流の流速測定
Treadmill
Resting
埋植可能な超小型脳機能計測デバイスを
開発し、自由行動下にある動物の脳機能解
明を目標とする
動物脳内メカニズムの理
解には、自由行動下にお
ける脳機能計測が重要で
Green LEDs
Device
ある。麻酔や拘束等の外
部からの影響を受けない
環境でこそ、動物の脳が本
CMOS imaging device
Brain
来行なっている真の脳活
動を観察することができる。 実験動物として用いられるラットの体重に対
して1/10,000の重量を実現
Time (s)
CMOS sensor
1.5
1.5
1
1
Walking rat
内因性シグナル計測
3 mm
Walking
A
脳表の血管
B
Whisker
0.73
mm/s
0.5
0.5
A
B
※本学の動物実験に関する規定に準拠
蛍光イメージング
0.82
mm/s
1%
Hind limb
2.5 s
Sensory stimulation
0
100
Distance(μm)
100 μm
刺激に対する神経応答を計測
0
100
Distance(μm)
生体通信を用いた出力信号の無線化
電池駆動実験による検証
提案する生体内通信システム
ＧＦＰ蛍光観察
実験系
ＧＦＰ計測用デバイスの開発
伝送結果
励起フィルタ搭載LED
蛍光フィルタ
1mm ＊ パリレンコート済み
• GFP計測用デバイスを開発
• 自家蛍光の小さな蛍光フィ
ルタを開発
• 励起フィルタの導入により励
起光漏れを約30%カット
⇒配線や基板による侵襲性を低下
⇒外部との有線的な接続を除去
マウス脳スライスの撮像
実験センサ
撮像対象
センサの完全埋植に向けた生体内通信システムの開発
500µm
通信システムの新規性
GFP発現細胞
PBS
脳スライス
2 mm
LED点灯時
画像復調結果
2 mm
GFP発現細胞の検出に成功
シミュレーション結果
 マウス脳を介した脳深部からの生体内伝送
 通信回路を必要としない小回路面積な伝送
 マウス脳が電解質であることを利用した電気的な伝送
【検討事項】
• 生体埋植下を想定したセンサの電池駆動実験
⇒実測値とほぼ一致
• シミュレーションによる回路ループの検証
⇒伝送の回路ループを再現
類似手法との比較
[1] Reid R. Harrison et al., IEEE JSSC, vol. 42, pp.123-133, 2007.
[2] K. M. Al-Ashmouny et al., IEEE MBS, pp. 2054-2057, 2009.
オプトジェネティクス向けCMOS神経インターフェースデバイス
研究背景
脳機能メカニズム解明には，脳機能における因果関係を議
論する必要がある。そこで，神経光刺激技術である光遺伝学
（オプトジェネティクス）が注目されている。
当研究室では，このオプトジェネティクス分野に応用可能な
CMOS技術による光刺激計測機能を集積化した神経インター
フェースデバイスの実現を目指している。
[1]
光刺激・イメージングデバイス
光・電気神経インターフェースデバイス
光刺激機能と光計測機能を集積化したデバイスを実現
光・電気の両媒体に対応したデバイスを実現
光・電気神経インターフェースデバイス
 CMOSイメージセンサ
→ 光計測機能
・LED/TSVアドレス指定回路
 Si貫通電極（TSV）チップ
→ 光刺激・電気刺激計測機能
光刺激・イメージングデバイス
 CMOSイメージセンサ
→ 光計測機能・LED任意指定回路
 LEDアレイ
→ 光刺激機能
[2]
実地試験による機能検証
 in vitro（生体外における）実験
→ 神経細胞・心筋細胞
 in vivo（生体内における）実験
→ 遺伝子改変マウス
in vivo実験
※本学の動物実験に関する規定に準拠
新たな機能（無線化に対応）
 A/D変換回路（デバイス内）搭載
TSVで取得したアナログ信号
↓
デジタル信号として出力
in vivo実験結果
（今回の研究成果2）
[1]F. Zhang et al., Nature Reviews Neuroscience, 8 (2007) 577.
[2] http://www.stanford.edu/group/dlab/optogenetics/
TSV［電気刺激計測電極］
（今回の研究成果1）
100 μm
1 mm
1 mm
LED［光刺激光源］
長期連続測定に向けた体内埋込み型グルコースセンサ
本研究の背景と目的
デバイスの作製方法
蛍光ハイドロゲル
動物実験
生体内で動作確認
ハイドロゲルの蛍光
ラットの耳
デバイス断面の模式図
※東京大学の動物実験に関する規定に準拠
グルコース溶液注射
インスリン注射
250
蛍光強度の測定
体外で行われているため測定系が大きい
200
150
100
50
0
0
100 200 300 400 500 600
グルコース濃度 [mg/dL]
蛍光強度の変化を利用
体内埋植型デバイスの開発により
蛍光計測型グルコースセンサの実用化を目指す
400
350
300
250
200
150
0
50
100
時間 [分]
150
200
血糖値 [mg/dL]
蛍光強度(⊿F/Fi) [%]
300
画素値(蛍光強度) [a.u.]
センサの長寿命化 ： 酵素 < 蛍光ハイドロゲル
2 mm
作製したデバイス
50 mm
リファレンス
本センサで血糖値を測定可能