多チャンネルマイクロ電極を用いた感覚機能代替システムの設計手法

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555039
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 松本 潔 東京大学, 大学院・情報理工学系研究科, 助教授 (10282675)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 阿部 啓子 東京大学, 大学院・農学生命科学研究科, 教授 (10151094) ; 加我 君孝 東京大学, 大学院・医学系研究科, 教授 (80082238) ; 中尾 政之 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (90242007)
• Keywords: 聴性人工脳幹インプラント / 微小多点電極 / 電気刺激 / 脳機能マッピング / 聴皮質 / 蝸牛神経核 / 機能構造 / 脊髄

Research Abstract

本研究の目的は,感覚細胞あるいは伝達経路に障害を持つ患者のための感覚機能代替システムにおいて,その設計手法を確立することである.本年度の研究実績は,(1)電極間の神経を選択的に刺激できる多点ゲート刺激法を開発したこと,(2)脳幹・蝸牛神経核の電気刺激が音高と音の強さの知覚を誘発できる可能性が高いことを示したことである.
多点ゲート刺激法では,陰極の刺激で電極周辺の神経を幅広く発火させ,不必要な活動電位の伝播を陽極の刺激で抑制する.シミュレーションでは,電極間の任意の場所で刺激ができることを示した.さらに,動物実験でも,脊髄の両端に設置した電極で脊髄の中心の神経だけを刺激できることを示し,同刺激法の有用性を示した.この方法を用いれば,刺激に用いる電極数が少なくとも,神経を分解能良く刺激できる.
電気刺激で聴覚を再生できるかを調べるために,純音による刺激と脳幹の電気刺激で誘発した聴皮質の神経活動を計測し,比較した.聴皮質での神経活動の計測と脳幹の電気刺激には,それぞれ,これまで開発した表面電極と剣山電極を用いた.音刺激で誘発した聴皮質の反応の特徴として,音の周波数・音圧が異なると,聴皮質上での時空間的活動パターンが明らかに変化する,さらに,脳幹・蝸牛神経核を電気刺激したところ,聴皮質上で誘発された反応波形は,音刺激で誘発されたそれと同じ特徴を示した.実際に,音刺激と電気刺激とで誘発された聴皮質上の反応を比較・検討したところ,脳幹の刺激部位に応じて異なる音高を知覚させている可能性が高いことを示した.さらに,脳幹の電気刺激で刺激電流値を増加させると,音刺激の音圧を増加させたときと同じ反応の変化が得られたことから,刺激電流値に応じて異なる音の強さを知覚させている可能性も高いことも示した.これらにより,脳幹インプラントシステムの有用性と将来性を直接的に裏付けた.

Research Products

• [Publications] Hirokazu Takahashi, 他5: "Multiple-site polyimide surface microelectrode with fold-structure for less-invasive epidural cortical mapping of functional evoked-potentials"IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 50・4(印刷中). (2003)
• [Publications] 高橋宏知, 他5: "皮質硬膜上から高空間分解能で誘発電位を計測するための微小多点ポリイミド表面電極の開発"電気学会電子情報システム部門誌. 122-C・9. 1459-1468 (2002)
• [Publications] 高橋宏知, 他3: "聴性誘発電位の多点計測データの独立成分解析"電気学会電子情報システム部門誌. 122-C・9. 1469-1480 (2002)
• [Publications] Hirokazu Takahashi, 他4: "Multiple gating stimulation for selective activation of nerves in between electrodes"Proceedings of the International Federation for Medical & Biological Engineering. 3. 786-787 (2002)
• [Publications] Hirokazu Takahashi, 他7: "Accessing Cortical Tonotopic Organization by Microstimulation of Cochlear Nucleus"Proceedings of 1st International IEEE EMBS Conference on Neural Engineering. (印刷中). (2003)
• [Publications] Hirokazu Takahashi, 他5: "Auditory evoked-potential mappings unravel functional organizations of rat auditory cortex ; both the primary auditory field (AI) and anterior auditory field (AAF) show tonotopic organization and the latter has extreme loudness-dependence"Abstract of 3rd Forum of European Neuroscience. (CD-ROM). 184.18 (2002)