2015 Fiscal Year Annual Research Report
脳内深部の神経細胞内電位を多点で計測するナノエレクトロニクス
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26709024
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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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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノデバイス / 細胞内電極 / 細胞内計測 / シリコン / MOSFET |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳の神経細胞やその他生体組織内部の各種細胞の”細胞レベル”での計測を可能とするナノエレクトロニクス技術の開発研究として、次に示す実験項目について実施した。
（１）ナノプローブ集積化プロセスの検討・評価
（２）ナノプローブの電気的特性評価
（３）エレクトロニクス集積化デバイスの検討・評価
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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
（１）ナノプローブ集積化プロセスの検討・評価： 生体組織への電極刺入の応用を考慮し、提案するナノプローブ電極の機械的特性（剛性）を氷解した。 既存のナノ電極と比較して、提案する電極はマイクロプローブの先端部のみをナノスケールに先鋭化した点である。同一の先端直径(500 nm)、長さ(150 µm)の場合、従来提案されている円柱形状のナノ電極と比べて約7,500倍の剛性を得ることができる事が有限要素法解析にて実証された[Kubota et al., Small, 2016]。
（２）ナノプローブの電気的特性評価： 昨年度のインピーダンス、入力出力電圧比特性評価に加えて、本年度は雑音特性を評価した。細胞信号の周波数である1 Hz～10 kHzにおいて、5 mV√Hz～15 nV√Hzの雑音特性を得た。入出力電圧比が37%～85%より、本電極デバイスは約100 mVの細胞内電圧において十分な特性であることを実証した[Kubota et al., Small, 2016]。
（３）エレクトロニクス集積化デバイスの検討・評価： 高インピーダンス特性のナノ電極用のOn-chip生体信号増幅器の集積化を検討した。 プローブとMOSFETの一体化は、これまでに実績のあるプローブ製作前のMOSFET集積化技術を用いた［A. Okugawa et al., IEEE Electron Device Letters, 2011］。 製作したプローブチップデバイスは、本学5 μm-NMOS技術によるバッファアンプ回路（Source-follower）の集積化を実現している［H. Makino et al., IEEE MEMS, 2015, H. Makino 2016 in preparation］。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究目的を達成するために平成28年度は、昨年度に引き続きOn-chipエレクトロニクスの確立、電気的生理実験 によるデバイスの特性評価に取り組むと共に本研究を総括する。
On-chipエレクトロニクス 昨年度に引き続き、高インピーダンス特性のナノ電極用のOn-chip生体信号増幅器の集積化を検討する。 昨年 度までに、これまでに実績のあるMOSFET集積化技術[A. Okugawa et al., IEEE Electron Device Letters, 2011]によるプローブとMOSFETの一体化を実現してきた。 今年度は、製作したデバイスの特性評価を実施すると共に、電気生理用として、増幅器に加えて、フィルタ、多チャンネル用チャンネルセレクターの集積化を実施する。混載MOSFETの試作は本学CMOSプロセスで実施するが、その後は外部ファンドリーサービスへの移行も予定し ている。
昨年度に引き続き、電気的生理実験によるデバイスの特性評価に取り組む。生体外細胞測定検証:現在、細胞内計測の検証には、比較的細胞体の大きな筋細胞を用いた測定を検討している。この知見を反映させ、その後に、測定対象を培養細胞、脳スライスを用いた測定を検討する。細胞測定の評価には、電気的な測定のみならず物理的な細胞観察の評価も同時に検討する。 生体内細胞測定:これまでに本学で実績のあるマウス、ラット[A. Fujishiro et al., Int. conf. IEEE-MEMS, 2011, A. Fujishiro et al., Scientific Reports, 2014]を対象とする。研究の進捗によるが、サルの大脳皮質 も検討する。電気生理計測には、多点記録・刺激システムを用いる。脳深部の細胞内多点計測はこれまでに無く、その測定技術開発の学術的意味は大きいと考える。
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| Causes of Carryover |
研究において未使用額が生じた理由は、初年度の未使用額の本年度への繰り越しに加え、本年度の研究に使用する消耗品が当初予定した金額よりも若干少なかったためである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
未使用額については、次年度研究費と併せて使用する計画である。
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| Remarks |
S. Yagi et al., 2015の研究成果が学術雑誌「Advanced Healthcare Materials」の表紙（inside cover）に 採択された
Y. Kubota et al., 2016の研究成果が学術雑誌「Small」の表紙（front cover）に 採択された
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[Presentation] In vivo Recordings via Microscale Diameter Neuroprobe Assembled on Flexible Package2015
Author(s)
TEO Dong Sheng, Hirohito Sawahata, Shota Yamagiwa, Airi Moriya, Hideo Oi, Yoriko Ando, Rika Numano, Makoto Ishida, Kowa Koida, Takeshi Kawano
Organizer
Neuroscience 2015
Place of Presentation
Chicago, USA
Year and Date
2015-10-17 – 2015-10-21
Int'l Joint Research
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