2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of the world's smallest needle-electrode based brain implantable electronics
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20H00244
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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, 次世代半導体・センサ科学研究所, 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)
沼野 利佳 豊橋技術科学大学, 次世代半導体・センサ科学研究所, 教授 (30462716)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | センシングデバイス / 脳計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
米国，欧州，近年のアジア諸国も含め世界脳科学研究の拡大に伴い，脳計測デバイスが最重要技術のひとつとして取り上げられている。質の高い脳計測は刺入方電極が必然だが，既存電極は直径数十~数百μm以上と大きく，組織損傷を引き起こし，長期安定計測ができない。本研究では，申請者が開発した直径5 μm以下の世界最小プローブ技術を基軸にその脳内埋め込み応用への発展とし，デバイスの全フレキシブル化，薄膜化技術，無線(ワイヤレス)技術に取り組む。これにより既存技術では不可能であった長期安定的な脳計測が可能になり，学術的には脳メカニズム，生命システムの理解，さらには治療応用に貢献できる。また，今後の企業参入が予測される脳-コンピューターインターフェース技術を実現する脳インプラント(埋め込み)デバイス技術を開拓できる。本研究目的を達成するため，2022年度は無線（ワイヤレス）脳計測システムの設計と製作，動物実験による評価を実施した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2021年度に実施したバッファアンプの知見を活かし，2022年度は提案する電極デバイスの無線（ワイヤレス）化に取り組んだ。
1．ワイヤレスシステムの設計：提案するシステムには高い汎用性，小型可搬性，低コストを実現するBLE（Bluetooth-Low-Energy）技術を用いた。各チャンネルの増幅回路モジュールを雑音除去用のHPF（High-pass filter，0.5 Hz），初段増幅器（60dB），LFP（Low-pass filter）で設計し，これとマルチプレクサを組み合わせる構成とした。
2．ワイヤレスシステムの製作：設計したシステムをガラスエポキシ樹脂材のPCB（Printed circuit board）基板に実装した。実装したシステムは面積が20 x 15 mm角，厚さ15 mmであり，また重量は対象とするマウスの負担を低減する体重の20%以下の4.3 gで実現した。さらにPCB基板と比較して比重が軽く柔軟なポリイミド製のFPC（Flexible printed circuit）基板上へのシステムの実装も検討しその製作技術に目処が立った。
3．動物評価：実験動物としてマウスを用いた評価において，マウス脳からの局所集合電位，単一ニューロンに由来するスパイク信号をそれぞれワイヤレス計測できることを確認した。またワイヤレスデバイスを搭載したマウスの行動距離の解析からデバイス有無における優位な差がないことよりマウスの負担が低減できていることも確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1．長期計測技術：電極の埋め込み技術，長期計測技術を確立する。計測にはマウスを用いる。また計測項目として，埋め込みによる脳圧迫や脳組織の損傷，信号対雑音比を検討する。
2．モデル動物の計測：脳研究，神経疾患の研究用の計測技術としてモデル動物を用いた脳計測の可能性を検討する。比較的脆弱なモデル動物においても低侵襲なプローブ技術により計測が可能になると考える。対象として，うつ病，アルツハイマー，また合併症による血管障害が知られている糖尿病モデルマウスを用いる。
3．治療応用：神経疾患の治療応用を検討する。提案する電極デバイスにより異常な神経活動を検出し，刺激により抑制するシステムが提案できる。これを実現するための要素技術の検討を行う。
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