2021 Fiscal Year Research-status Report
低強度超音波薬学：微小トランスデューサアレイによる疾患モデル動物での治療効果検証
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21K19755
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
舘野 高 北海道大学, 情報科学研究院, 教授 (00314401)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村上 修一 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主幹研究員 (70359420)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 超音波トランスデューサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では，機械的振動で効率的に中枢神経系を低侵襲的に刺激し，体内臓器や末梢系効果器に神経信号を送信する新技術の開発を目指している．その実現に向けて，脳の局所領域に対し，弱強度の超音波を放射して低侵襲的に神経活動を誘起する小型のデバイスを製作し，その実験系，および，実験プロトコルを開発することを目的としている．
本年度は，本計画期間の初年度であることから，超音波刺激による脳活動誘発に関する基本的な予備実験を行った．まず，先行研究では，機械的振動が脳活動を直接的に誘起するのではなく，聴覚経路を間接的に刺激した後の二次的な神経活動伝播によって生じているとの報告がある．この点を確認するために，聴覚末梢系の神経活動を誘発せずに，超音波刺激によって中枢神経系のみを活動させる刺激条件を広範囲に探索した．
また，局所的な脳領域に対して，弱強度の超音波を放射して低侵襲的に神経活動を誘起する小型の刺激デバイスを微細加工技術で製作し，そのデバイスの物理特性を評価する実験系を構築した．具体的には，超音波領域周波数の機械的振動によって，神経細胞活動を誘起するナノメートル厚の圧電材料薄膜と小型ダイアフラムから成るトランスデューサを微細加工技術で製作した．試作に当たっては，事前にその試作物の物理モデルを計算機上に構築し，数値計算によって振動特性を解析した後に，構造を設計して実際にそのデバイスを製作した．これらの結果について国際会議で発表した．
さらに，機械的振動が脳活動を誘起する細胞レベルでの作用機序を明らかにする目的で，小型ダイアフラム上に脳組織切片を置き，脳切片底部から超音波を印加する実験系を構築した．加えて，細胞内のカルシウムイオン変動を観察して誘発神経活動の有無を確認するために，カルシウム指示薬に短波長の可視光を照射し，画像をイメージングする計測系を構築した．
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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
本年度は，本格的な実験を実施するために必要な予備的な４つの項目を達成した．具体的には，(1) in vivo動物実験の計測系や(2)小型超音波デバイスの設計と製作の基本的な加工技術の実施を行うことができた．また，(3)試作する超音波トランスデューサが完成した場合に，その応答特性を計測する実験系，および，(4)脳切片のin vitro神経活動を計測するための測定系を準備することができたことが理由として挙げられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度に得た結果を踏まえ，次年度以降は，以下の項目の実施を計画している．
(1) 超音波の脳刺激によって聴覚末梢系の神経活動を誘発せずに，中枢神経系のみを活動させる刺激条件について動物実験を行う．特に，市販のトランスデューサを使って齧歯類動物に超音波を印加し，聴覚の末梢系と中枢系の活動を同時に記録する．その記録データを解析することで，超音波を中枢神経系にのみ印加する条件の詳細を明らかにする．また，得られたデータを基に，その神経活動誘発の機序について仮説を立てる．
(2) 微細加工技術によって試作した微小トランスデューサの電気的および機械的な振動特性を計測し，脳活動を誘発する条件を満たしているかを確認する．
(3) また，小型ダイアフラム上に脳の試料を置き，その底部から超音波を印加する実験を行い，脳活動誘発の有無を確認する．脳活動が誘起できない場合には，小型トランスデューサの構造を再検討して，再度の製作を試みる．
(4) 薬剤を用いて聴覚末梢系由来の音情報を阻害した難聴モデルを作成する．その難聴モデルに対して， 試作マイクロトランスデューサによる超音波刺激印加が聴覚中枢系の神経活動を誘起できるかを検証するために予備実験を行う．
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| Causes of Carryover |
海外からの輸入である消耗品の一部の供給が遅れて，年度内に購入することが困難となった．このため，次年度に購入する予定である．
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Research Products
(10 results)
