2016 年度実施状況報告書

神経跳躍伝導を磁気刺激による電磁界変化で検出する食道がん術中反回神経探索法の開発

研究課題

研究課題/領域番号	16K12907
研究機関	東北大学
研究代表者	清水一夫東北大学, 医工学研究科, 特任教授 (00564296)
研究分担者	中野徹東北大学, 大学病院, 講師 (50451571)
研究期間 (年度)	2016-04-01 – 2018-03-31
キーワード	神経科学
研究実績の概要	本年度はまず、神経刺激による電気特性を測定するため、電気刺激装置、電極、及び、応答特性測定のための検出装置の準備から始めた。刺激及び神経からの信号を検出する電極を手作りした。神経の信号を検出するには細胞膜電位レベルの検出が必要なことから、今後の応用利用も可能なように、容易に改造可能な基板ベースの装置を購入して、測定を行った。測定にはラットの坐骨神経を使って行ったが、坐骨神経の状態が個体により違っており、坐骨神経分岐の有無や神経に電極の取り付ける際、神経周囲の膜の剥離により、特性が変わり、安定した測定結果が得られるまで様々な工夫を強いられた。さらに、ラットの坐骨神経は最長でも３０ｍｍ程度しかとれず、跳躍伝導を誘発するための電気刺激を中枢側の脊椎近くで実施しても、電気刺激による神経のランビエ絞輪における脱分極が神経上の複数のランビエ絞輪で生じており、神経上の伝導速度が２０～４０m/sであることから、1回の跳躍伝導の様子が測定できるかどうかというところである。実験の結果、電気刺激による影響で、神経上の跳躍伝導が観測されるのは刺激した電極位置から２０ｍｍから３０ｍｍ離れたところであることが判った。また、刺激電極から神経上で最初に観測される跳躍伝導波形までの間では、跳躍伝導が逆行性（求心路）にも進行し、電気緊張性伝搬と相殺しあうことも判った。さらに、試行錯誤の末、ラットのしっぽを使って、伝搬特性を測定することを見出した。一般的に、坐骨神経が最も太く、長い神経であるが、ラット特有の特徴である長いしっぽの尾骨神経を使うことで、約１５０ｍｍの距離での特性測定に成功した。その結果、伝送速度は約２５m/sの数値を得た。従って、神経探索を行う場合、神経の跳躍伝導を誘発位置から約３０ｍｍ離れないと探索できないことが判った。来年度は磁気センサーを使った非接触センシングに挑戦していく予定である。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由本年度の研究計画は以下の3項目になっているので、各項目毎に進捗を記載する。（１）神経を電気刺激することにより、特定神経が支配する筋肉等の応答特性を測定。これについては、神経に関する電気特性を測定するにあたり、神経刺激により生ずる跳躍伝導等の特性を測定するための測定環境の構築を行った。また、測定に用いる動物として、ラットを選定して、取扱いの講習を受け、東北大学における倫理教育を受講してから実験に取り組んだ。ラットは小型動物であるため、迷走神経は非常に細く、特性測定には不向きであるため、最も太く、測定し易い坐骨神経を用いて、神経の電気刺激に対する特性を測定した。しかし、特性が判ってくるに従い、ラットの坐骨神経は長くても４０ｍｍ程度であるため、跳躍伝導の特性を測定するには短すぎることが判ってきた。これは、跳躍伝導が電気刺激位置から３０ｍｍ離れたところから、検出されることが判ってきたためである。また、詳細に測定したところ、この位置から跳躍伝導が双方向（中枢側と末梢側）に伝導し、電気刺激位置とこの位置から３０ｍｍ離れたところでは相互に影響し合い、跳躍伝導は刺激位置に近いほど、跳躍伝導レベルが小さくなっていることが判った。（２）磁気センサーを用い、神経からの距離と電磁界強度、神経の太さと伝導速度等を測定。これについては、神経から電磁界は非常に微弱であり、地磁気が４５μT（テスラ）に対して、数百ｎT程度と予想し、センサーを選定した。また、伝導特性がどのようになっているかを刺激位置からの距離、伝導速度等の特性を測定した。（３）磁気センサーを2次元配置したセンサーモジュールを試作し、神経の探索可否を検証。これについては、磁気センサーを2つ用意して、１つは神経からの磁束変化、もうひとつは地磁気の影響を測定するセンサーとして、モジュールを試作して、磁束変化が検出できることを確認した。
今後の研究の推進方策	本研究の次年度の研究計画では、神経の探索可否の検証することと、神経励起条件に合わせ、神経励起用コイルを試作し、電気刺激と同様、刺激条件を検証することの２つである。神経探索方法には２つあり、刺激コイルを使って探索する方法と磁気センサーを使って探索する方法の2種類が考えられる。本研究では後者の磁気センサーを使って探索可能かどうかを検証する予定である。磁気センサーとして、磁気インピーダンス変化方式のMIセンサーを利用して、検証を進める予定である。この際、ポイントとなるのは、脂肪の下などに隠れた神経からの磁束変化を検出可能かどうか、また、どの程度神経が入り組んだ状況でも検出可能かという点にある。従って、本検証ではまず、神経単独での検出特性を明確にした後、2本の神経が並行している場合の特性を検証していく予定である。次に磁気刺激については、励起用コイルの試作からスタートし、目標とする励起磁束は０．１T程度を想定している。現状、脳の刺激等に利用される磁気刺激装置における励起磁束は１T程度であることから、神経直下ではもっと小さな磁束密度でも、神経の励起が可能ではないかと考えている。しかし、磁気による神経の跳躍伝導の直接励起が可能かどうかということについては文献が存在していない。従って、磁気による神経の直接励起について、機序を明確にすることも重要であるため、来年度、励起用コイルの試作およびパルス磁界発生用電源などの環境整備をどのように行うかがカギとなる。あまり高額な設備は無理なので、磁気パルスを印加時に細胞膜の脱分極閾値以下の電圧を加え、脱分極し易くし、弱い磁気パルスでも脱分極可能なようにして、神経への直接励起で脱分極可能かどうかを検証する。その後、励起条件として、神経と励起コイルの距離や励起に必要な電流との関係などを測定し、神経探索時に必要となる磁束密度の条件を明確にしていく予定である。