2018 Fiscal Year Annual Research Report
The world's smallest needle-electrode: enabling low-invasive neuronal recording electronics for the brain
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17H03250
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
河野 剛士 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70452216)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鯉田 孝和 豊橋技術科学大学, エレクトロニクス先端融合研究所, 准教授 (10455222)
秋田 一平 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 主任研究員 (10612385)
沼野 利佳 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30462716)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / 細胞外電極 / MOSFET / 実装技術 / 脳計測 / 無線化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
米国、欧州をはじめとし脳科学研究分野の重要性が拡大している。時空間分解能等における“質”の高い脳信号計測には、侵襲型電極が必須だが、既存の技術では電極直径が数十～数百蒔μm以上と大きく電極刺入に伴う組織損傷、細胞損傷、これに起因した長期安定測定が重要な課題であった。本研究では、これまでの科研費研究（基盤研究、若手研究）で開発してきた直径5 μmの世界で最も細いプローブ電極の発展として、基板を含む電極デバイス全体を小型化し、さらには無線化技術を確立し、これをもって既存デバイスでは成し得なかった超低侵襲、超低負担な脳計測エレクトロニクスを実現する。本研究提案を実現することで、脳神経科学への貢献、医療分野では次世代脳計測技術・質の高い医療サービスの提供のみならず、脳疾患への応用として例えばヒトてんかんの診断やそのメカニズムの解明、さらには侵襲型ブレイン・マシン・インターフェース技術の発展につなげる。
研究目的を達成するため、平成30年度からは、引き続き提案電極による細胞、組織、個体レベルまでの損傷評価を実施すると共に、電極デバイスのアクティブ化、多チャンネル計測を目的とした電極のマルチチャンネル化を実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
現在までの進捗状況を下記に示す。
3-1. AFEモジュール：プローブ電極同様に1 mm×1 mmのモジュールを設計・製作した。本学NMOSプロセスにて、バッファ回路（source follower）、低雑音アンプモジュールを製作した。
3-2. 実装技術：フレキシブル配線実装を応用したポリイミド製インターポーザーを設計・製作した。製作したインターポーザーを介して電極モジュールとAFEモジュールを1 mm×1 mmの面積で実装した。プローブ電極を搭載したAFEモジュールを生理溶液中での入出力電圧特性、雑音特性評価をとおして動作を確認した。マウス脳の計測評価をとおして刺激に誘発されたニューロン活動（局所信号電位，スパイク）の計測を確認した[Y. Kita et al., submitted]。
4-1. 多チャンネル化とフレキシブル実装：多チャンネル化に向けて電極モジュールを200 μm×200 μmに小型化した。これらの電極モジュールを多チャンネル用に設計・製作したインターポーザー（フレキシブル配線）に実装し、生理溶液中評価およびマウス脳計測を通した評価を実施した。
4-2. AFEアレイ実装：電極1 chのそれぞれ直近にAFEを配置・実装した。4チャンネル用のAFEを約2 mm×2 mmに設計し、1チャンネルと同様に本学NMOSプロセスにて製作した。4チャンネル用に製作したインターポーザーを介して電極モジュールとAFEモジュールを実装した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに申請書で計画したAFEモジュール、実装技術の研究を推進し、電極デバイスのアクティブ化を実現し、また電極のマルチチャンネル化として電極モジュールの小型化、AFEのアレイ化を実現した。この実績を基に提案電極デバイスの無線化、留置および長期計測手技の研究を推進する。
1．無線化：デバイスを無線化する。無線回路（RF）モジュールは、これまでの科研費基盤A（2013-2015年度，河野分担，代表石田誠）で蓄積した低電力無線通信回路の要素技術を提案している。また高い汎用性、小型可搬性、低コストを実現するBLE（Bluetooth-Low-Energy）技術によるデバイス無線化も別途に検討を開始する。
2. 留置、長期計測手技：電極留置手技、皮質内局所細胞の長期記録技術を確立する。評価の実験動物には、先ずマウスを用いる。その後、マウス計測での蓄積を基にラット、サルへの応用も実施する。評価項目として、脳圧迫の低減、電極配置の親和性、また計測信号に関して高い信号対雑音比の評価を用いる。留置は月～年単位の期間を目標とする。
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[Presentation] Sewing Bioprobe2019
Author(s)
Koji Yamashita, Hirohito Sawahata, Shota Yamagiwa, Yusuke Morikawa, Rika Numano, Kowa Koida, Takeshi Kawano
Organizer
IEEE Micro Electro Mechanical Systems (IEEE-MEMS)
Int'l Joint Research
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