(57)【要約】【課題】短時間で活性化に至る刺激を与えるとともに従来に比して小型化し得る神経細胞刺激装置及び神経細胞刺激方法を提案する。【解決手段】緩和振動が生じる電圧値以上となるパルス状の駆動電圧を半導体レーザに印加して、パルス状の特異ピークをもつレーザ光を半導体レーザから出力させ、該パルス状の特異ピークをもつレーザ光を、サンプルにおける刺激対象に集光させる。【選択図】図１
2010088533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
緩和振動が生じる電圧値以上となるパルス状の駆動電圧を上記半導体レーザに印加し、パルス状の特異ピークをもつレーザ光を上記半導体レーザから出力させるレーザ制御部と、
上記パルス状の特異ピークをもつレーザ光を、サンプルにおける刺激対象に集光する光学レンズと
を有する神経細胞刺激装置。
【請求項２】
上記特異ピークと、該特異ピークに続いて特異ピーク強度よりも小さく現れる特異スロープとの割合を調整する調整手段
をさらに有する請求項１に記載の神経細胞刺激装置。
【請求項３】
上記パルス状の特異ピークをもつレーザ光の位相ポジションを、レーザ照射位置の指定に応じて変化させる位相変調素子
をさらに有する請求項２に記載の神経細胞刺激装置。
【請求項４】
上記半導体レーザは、２以上の半導体レーザでなり、
上記レーザ制御部は、
上記パルス状の駆動電圧をずらした状態で上記２以上の半導体レーザにそれぞれ印加し、
上記位相変調素子は、上記２以上の半導体レーザにそれぞれ割り当てられ、対応する半導体レーザから出力されるレーザ光の位相ポジションを、他に割り当てられる位相変調素子と同一又は異なるレーザ照射位置の指定に応じて変化させる、請求項３に記載の神経細胞刺激装置。
【請求項５】
上記調整手段は、
上記パルス状の駆動電圧に対する電圧値を切り換えて上記特異ピーク強度を調整する、請求項４に記載の神経細胞刺激装置。
【請求項６】
緩和振動が生じる電圧値以上となるパルス状の駆動電圧を半導体レーザに印加し、パルス状の特異ピークをもつレーザ光を上記半導体レーザから出力させるレーザ制御ステップと、
上記パルス状の特異ピークをもつレーザ光を、サンプルにおける刺激対象に集光する集光ステップと
を有する神経細胞刺激方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、神経科学分野に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、神経科学分野のスタンダードとしてパッチクランプ法がある。これは、光学顕微鏡下で、細胞膜における微小領域を電気的に隔絶し、イオンチャンネルを流れる電流を測定する手法である。
【０００３】
近年、光に応答して神経細胞を活性化するチャンネル（チャネルロドプシン２（ＣｈＲ２））の遺伝子が単離された（例えば非特許文献１参照）。これによりＣｈＲ２遺伝子を導入し、発現させた神経細胞を光によって刺激する実験が盛んに行われている。
【０００４】
ＣｈＲ２に対する光感受分子であるレチナールがtrans型からcis型に変換することがチャネルの開閉に関与しており、該ＣｈＲ２の活性化にはおおよそ２［ｍｓ］を要することが知られている（例えば非特許文献２参照）。
【非特許文献１】Nagelet al., 2002, Science 296, 2395-2398.
【非特許文献２】IshizukaT etal (2005) Neuroscience Research.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＣｈＲ２を活性化する光の波長はおおよそ４００［ｎｍ］〜４７０［ｎｍ］となるが、細胞内には例えばＰ４５０やＮＡＤＰＨ等のように、当該波長域で励起される分子が多く存在する。
【０００６】
したがって、ＣｈＲ２に対して与える光のパワーが弱いほど、ＣｈＲ２を活性化させるまで光をあてておく時間が長くなり、該光の波長域で励起されるＣｈＲ２以外の分子に影響し、ひいては神経細胞等にダメージを与える問題を生じるに至ってしまう。
【０００７】
一方、瞬間的に非常に強いレーザ光を出力する光源として、いわゆるピコ秒レーザやフェムト秒レーザなどの短パルスレーザ光源があり、例えばチタンサファイヤレーザやＹＡＧレーザなどが知られている。
【０００８】
ところがこの短パルスレーザ光源では、光発生器の外部に設けられた光学部品の作用より短パルス出力が実現される。このため短パルスレーザ光源は、一般的にサイズが大きく、また価格も高価であるため、装置全体として大型化するという問題があった。
【０００９】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、短時間で活性化に至る刺激を与えるとともに従来に比して小型化し得る神経細胞刺激装置及び神経細胞刺激方法を提案しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するため本発明は、神経細胞刺激装置であって、半導体レーザと、緩和振動が生じる電圧値以上となるパルス状の駆動電圧を半導体レーザに印加し、パルス状の特異ピークをもつレーザ光を半導体レーザから出力させるレーザ制御部と、パルス状の特異ピークをもつレーザ光を、サンプルにおける刺激対象に集光する光学レンズとを有する。
【００１１】
また本発明は、神経細胞刺激方法であって、緩和振動が生じる電圧値以上となるパルス状の駆動電圧を半導体レーザに印加し、パルス状の特異ピークをもつレーザ光を半導体レーザから出力させるレーザ制御ステップと、パルス状の特異ピークをもつレーザ光を、サンプルにおける刺激対象に集光する集光ステップとを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、半導体レーザに対する電圧の印加によって、瞬間的に強いレーザ光をサンプルにおける刺激部位に集中させることができ。この結果、短時間で活性化に至る刺激を与えることができる。
【００１３】
一方、半導体レーザに対して電圧を印加する構成は現状でも一般的に小型なものとして実現できるので、本発明では、従来短パルス出力を実現させるものとして用いられていた光学機器よりも大幅な小型化が可能となる。したがって、本発明によれば、正立型顕微鏡に搭載することが当然可能であり、また人体や動物に装着して使用することも可能になる。
【００１４】
かくして、短時間で活性化に至る刺激を与えるとともに従来に比して小型化し得る神経細胞刺激装置及び神経細胞刺激方法を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
［１．神経細胞刺激装置の構成］
［２．短パルスレーザ光源の構成］
［２−１．緩和振動モードによるレーザ光のパルス出力］
［２−２．特異モードによるレーザ光のパルス出力］
［２−３．駆動電圧の制御］
［３．レーザ走査部の構成］
［４．動作及び効果］
［５．他の実施の形態］
【００１６】
［１．神経細胞刺激装置の構成］
図１に示すように、この本一実施の形態の神経細胞刺激装置１は、手動又はモータ駆動によりｘｙｚ方向へ移動可能な可動ステージ１１を有する。この可動ステージ１１にはスライドガラスＳＧが配され、該スライドガラスＳＧには、ＣｈＲ２の遺伝子を導入した神経細胞又は該神経細胞を含む神経組織が必要に応じて染色され、サンプルＳＰＬとして配置される。
【００１７】
この神経細胞刺激装置１では、可動ステージ１１の一方の面と対向する側には光学系１２が配され、該可動ステージ１１の他方の面と対向する側には照明灯１３が配される。
【００１８】
照明灯１３の光は、可動ステージ１１に対して穿設される開口ＯＰから、該可動ステージ１１の一方の面に配されるサンプルＳＰＬに対する照明光として到達する。この照明光によってサンプルＳＰＬの像が得られ、該像は対物レンズ１２Ａ及び接眼レンズ１２Ｂそれぞれにより所定の倍率で拡大される。
【００１９】
したがってこの神経細胞刺激装置１は、可動ステージ１１上のサンプルＳＰＬを、接眼レンズ１２Ｂを通じて拡大観察することができるようになされている。
【００２０】
一方、この神経細胞刺激装置１は、短パルスレーザ光源２０と、サンプルＳＰＬに対するレーザ光の位置を調整するレーザ光走査部３０とを有する。また、対物レンズ１２Ａと接眼レンズ１２Ｂとの間にはダイクロイックミラー１２Ｃが配される。
【００２１】
短パルスレーザ光源２０から出射されるレーザ光は、レーザ光走査部３０を経てダイクロイックミラー１２Ｃにより対物レンズ１２Ａへ導かれ、該対物レンズ１２ＡによりサンプルＳＰＬに集光される。この集光部位は、レーザ光によって刺激されることになる。
【００２２】
したがってこの神経細胞刺激装置１は、接眼レンズ１２Ｂを通じて可動ステージ１１上のサンプルＳＰＬを観察しながら、該サンプルＳＰＬにおける所望の部位を刺激することができるようになされている。
【００２３】
他方、この神経細胞刺激装置１では、対物レンズ１２Ａと接眼レンズ１２Ｂとの間にビームスプリッタ１２Ｄが配され、該ビームスプリッタ１２Ｄにより分離される照明光によって得られるサンプルＳＰＬの像を撮るカメラ１４が設けられている。サンプルＳＰＬが蛍光染色されている場合、照明光は落射照明系を用いてもよい。
【００２４】
このカメラ１４には、コンピュータ１５が接続され、該コンピュータ１５には少なくともモニタ１６及びマウス等の入力部１７が接続される。コンピュータ１５は、カメラ１４から与えられる撮像データに基づいて、サンプルＳＰＬの像を所定の表示態様でモニタ１６に表示するとともに、入力部１７の移動に応動したカーソルを表示する。
【００２５】
またコンピュータ１５は、入力部１７から、サンプルＳＰＬに対するレーザ光の照射位置の指定に関するデータが与えられた場合、当該指定位置にレーザ光が照射されるようにレーザ光走査部３０を制御する。さらにこのコンピュータ１５は、サンプルＳＰＬに対するレーザ光の焦点が合うように可動ステージ１１又は短パルスレーザ光源２０における絞りを制御し得るようになされている。
【００２６】
したがってこの神経細胞刺激装置１は、接眼レンズ１２Ａを通じて可動ステージ１１上のサンプルＳＰＬを観察しながら、モニタ２３を介して実際のサンプルＳＰＬに対する所望の刺激部位を指定することができるようになされている。
【００２７】
［２．短パルスレーザ光源の構成］
次に、短パルスレーザ光源２０の構成を具体的に説明する。図２に示すように、この短パルスレーザ光源２０は、レーザ制御部２１と、半導体レーザ２２，２３とから構成される。
【００２８】
半導体レーザ２２，２３は、半導体発光を用いる一般的な半導体レーザ（例えばソニー株式会社製、ＳＬＤ３２３３）でなる。この半導体レーザ２２，２３は、レーザ制御部２１による駆動電圧制御（詳しくは後述する）のもとに、レーザ光をパルス出力するようになされている。
【００２９】
レーザ制御部２１は、パルス生成器２１Ａ及びＬＤ（Laser  Diode）ドライバ２１Ｂ，２１Ｃとから構成される。図３（Ａ）に示すように、パルス生成器２１Ａは、離散的にパルス状の生成信号パルスＳＬｗを発生するパルス信号ＳＬを生成する。
【００３０】
そしてパルス生成器２１Ａは、このパルス信号ＳＬをＬＤドライバ２１Ｂに対して供給するとともに、該パルス信号ＳＬに対して生成信号パルスＳＬｗが半周期ずれたパルス信号ＳＬをＬＤドライバ２１Ｃに供給する。生成信号パルスＳＬｗの信号レベルは、例えば外部機器により適宜調整される。
【００３１】
図３（Ｂ）に示すように、ＬＤドライバ２１Ｂ，２１Ｃは、パルス信号ＳＬを所定の増幅率で増幅することにより、生成信号パルスＳＬｗに対応して駆動電圧パルスＤＪｗを発生するレーザ駆動電圧ＤＪを生成し、対応する半導体レーザ２２，２３に供給する。駆動電圧パルスＤＪｗの電圧値は、生成信号パルスＳＬｗの信号レベルに応じて決定される。
【００３２】
半導体レーザ２２，２３は、このレーザ駆動電圧ＤＪに応じてレーザ光ＬＬをパルス出力する。
【００３３】
このようにして短パルスレーザ光源２０は、半周期ずれたパルスのレーザ光を半導体レーザ２２，２３から出力するようになされている。
【００３４】
［２−１．緩和振動モードによるレーザ光のパルス出力］
レーザの特性を表すいわゆるレート方程式は、次式
【００３５】
【数１】
2010088533.tif 000003
【００３６】
とされる。この（１）式における「Γ」は閉込め係数、「τｐｈ」は光子寿命、「τｓ」はキャリア寿命、「Ｃｓ」は自然放出結合係数、「ｄ」は活性層厚、「ｑ」は電荷素量、「ｇmax」は最大利得、「Ｎ」はキャリア密度、「Ｓ」は光子密度、「Ｊ」は注入キャリア密度、「ｃ」は光速、「Ｎ０」は透明化キャリア密度、「ｎｇ」は群屈折率をそれぞれ表す。
【００３７】
一般的な半導体レーザでは、注入キャリア密度Ｊ（すなわちレーザ駆動電圧ＤＪ）の増大に応じてキャリア密度Ｎが飽和状態の少し手前から発光が開始される。そして、注入キャリア密度Ｊの増大に伴って光子密度Ｓ（すなわち出射光強度）が増大することとなる。
【００３８】
ここで、（１）式に示したレート方程式から、発光開始時間τｄを算出することができる。すなわち発振以前のため光子密度Ｓ＝０とすると、（１）式は次式
【００３９】
【数２】
2010088533.tif 000004
【００４０】
と表すことができる。この（２）式におけるキャリア密度Ｎをスレショールド値Ｎｔｈとすると、発光開始時間τｄは次式
【００４１】
【数３】
2010088533.tif 000005
【００４２】
と表すことができる。この（３）式からも分かるように、発光開始時間τｄは注入キャリア密度Ｊに反比例する。この注入キャリア密度Ｊの振幅は、レーザ駆動電圧ＤＪが大きいと、発光開始直後に緩和振動によって最も大きい第１波として現れ、第２波、第３波と徐々に減衰し、安定化に至る。
【００４３】
一般的なレーザ光源では、半導体レーザに対して緩和振動の殆どみられない条件（電圧値）となる比較的小さいレーザ駆動電圧ＤＪを印加することにより、敢えて出射開始直後の出射光強度の差異を小さくし、レーザ光ＬＬの出力を安定させている。
【００４４】
本実施の形態による短パルスレーザ光源２０では、緩和振動を生じさせて、レーザ光の瞬間的な出射光強度の最大値が安定値よりも増大（例えば１．５倍以上）される。
【００４５】
すなわち図４に示すように、レーザ制御部２１は、緩和振動を生じさせるための電圧値（以下、これを振動電圧値αと呼ぶ）の駆動電圧パルスＤＪｗを発生するレーザ駆動電圧ＤＪを生成し、これを半導体レーザ２２，２３に印加する（図４（Ｂ））。駆動電圧パルスＤＪｗのパルス幅は、発光開始時間τｄと振動周期ｔａとを加算（τｄ＋ｔａ）した時間（以下、これを電流波供給時間βと呼ぶ）とされる。
【００４６】
これにより短パルスレーザ光源２０は、図４（Ｃ）に示すように、半導体レーザ２２，２３から緩和振動による第１波のみからなるパルス状のレーザ光ＬＬ（以下、これを振動出力光ＬＭｐと呼ぶ）を出射することができるようになされている。
【００４７】
また短パルスレーザ光源２０は、大きな電圧値でなるレーザ駆動電圧ＤＪを印加する時間を短縮することができるため、半導体レーザ２２，２３の過発熱などにより生じる当該半導体レーザ２２，２３の不具合を抑制することができるようになされている。
【００４８】
ちなみに、振動電圧値αよりも小さい振動電圧値βでなる駆動電圧パルスＤＪｗを半導体レーザ２２，２３に印加した場合（図４（Ｄ））、出射光強度の比較的小さい振動出力光ＬＭｐ（図４（Ｅ））が半導体レーザ２２，２３から出射される。
【００４９】
ここで、一般的な半導体レーザ（ソニー株式会社製、ＳＬＤ３２３３ＶＦ）に対して、比較的大きなレーザ駆動電圧ＤＪを印加した時に測定された出射光強度を、図５に示す。この図からも分かるように、光子密度Ｓにみられた緩和振動が出射光強度として実際に生じる。なお図５では、レーザ駆動電圧ＤＪを半導体レーザに対して矩形のパルス状に供給した場合に得られたレーザ光ＬＬの波形を示している。
【００５０】
このように短パルスレーザ光源２０は、緩和振動モードを実行した場合、緩和振動による第１波のみからなるパルス状のレーザ光ＬＬ（振動出力光ＬＭｐ）を、半導体レーザ２２，２３から出射することができるようになされている。
【００５１】
［２−２．特異モードによるレーザ光のパルス出力］
ここで、駆動電圧パルスＤＪｗの電圧値を変化させた場合のレーザ光ＬＬの変化を測定した実験の結果について説明する。
【００５２】
まず、図６において、この実験で用いた、短パルスレーザ光源２０から出射されたレーザ光ＬＬを分析する光測定装置５０の構成を示す。
【００５３】
この光測定装置１００では短パルスレーザ光源２０における半導体レーザ２２，２３から出射されたレーザ光ＬＬは、コリメータレンズ５１に供給される。レーザ光ＬＬは、コリメータレンズ５１によって発散光から平行光に変換され、ＢＰＦ（Band  Pass  Filter）５２を介して集光レンズ５３へ入射される。
【００５４】
この実験では、この集光レンズ５３によって集光された後のレーザ光ＬＬが、光サンプルオシロスコープ５４（浜松ホトニクス株式会社製、Ｃ８１８８−０１）及び光スペクトルアナザイザ５５（株式会社エーディーシー製、Ｑ８３４１）により測定及び分析された。
【００５５】
またこの実験では、コリメータレンズ５１及び集光レンズ５３間にパワーメータ５６（株式会社エーディーシー製、Ｑ８２３０）が設置され、レーザ光ＬＬの出射光強度が測定された。なおこの実験では、ＢＰＦ５２は必要に応じて設置又は除去された。
【００５６】
図７及び図８において、駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘを変化させたときに得られたレーザ光ＬＬの出射光強度について、光スペクトルアナライザ５７によって測定した結果を示す。ちなみに、この測定において、ＢＰＦ５２は設置されていない。
【００５７】
図７に示すように、駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘが６［Ｖ］のとき、レーザ光ＬＬの波形にはピークが大きなピークが複数見られることから、当該レーザ光は振動出力光ＬＭｐといえる。
【００５８】
一方、図８に示すように、駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘが４２［Ｖ］のとき、レーザ光ＬＬの波形には先頭部分のピーク及び緩やかに減衰するスロープ部分が見られた。
【００５９】
このことから、振動電圧値αよりも大きな特異電圧値β（すなわち最大電圧値Ｖｍａｘ）でなる駆動電圧パルスＤＪｗを半導体レーザ２２，２３に供給した場合、振動出力光ＬＭｐとはその波形及び波長の異なるレーザ光ＬＬが出力されることが分かる。なお、発光開始時間τｄも上述したレート方程式から導かれる（３）式とは一致しなかった。
【００６０】
このレーザ光ＬＬの波長は、安定化時におけるレーザ光の波長よりも約６［ｎｍ］（６±２［ｎｍ］以内）短波長側にピークを有することが確認されている。以下、このレーザ光ＬＬを特異出力光ＬＡｐと呼び、当該特異出力光ＬＡｐを出力する半導体レーザ２２，２３のモードを特異モードと呼ぶ。
【００６１】
ちなみに、短波長側にピークをもつのは、最大電圧値Ｖｍａｘの上昇に伴いレーザ光ＬＬが振動出力光ＬＭｐから特異出力光ＬＡｐへ変化する過程において、長波長側のピークが徐々に減衰し、代りに短波長側のピークが増大していくものと考えられる。
【００６２】
また、パワーメータ５６による測定（半導体レーザ２２，２３としてソニー株式会社製、ＳＬＤ３２３３を使用）の結果、この特異ピークＡＰＫの出射光強度は、約１２［Ｗ］と緩和振動モードにおけるレーザ光ＬＬの最大の出射光強度（約１〜２［Ｗ］）と比して、非常に大きいことが確認された。なお光サンプルオシロスコープ５４の解像度が低いためこの出射光強度は図面には表われていない。
【００６３】
またストリークカメラ（図示せず）による分析の結果、特異ピークＡＰＫは、ピーク幅が１０［ｐｓ］程度であり、緩和振動モードにおけるピーク幅（約３０［ｐｓ］）と比して、小さくなることが確認された。なお光サンプルオシロスコープ５４の解像度が低いためこのピーク幅は図面には表われていない。
【００６４】
また特異スロープＡＳＰは、その波長が通常モードにおけるレーザ光ＬＬの波長と同一であり、最大の出射光強度は約１〜２［Ｗ］程度であった。
【００６５】
以上ように、半導体レーザ２２，２３に対して、緩和振動を生じさせる電圧値よりもさらに大きい特異電圧値でβなるレーザ駆動電圧ＤＪが印加された場合、図９に示すように、最初に出現する特異ピークＡＰＫと、続いて出現するスロープＡＳＰとからなる特異出力光ＬＡｐが出射される。なおこの実験とは異なる半導体レーザを用いた場合であっても、同様の結果が得られている。
【００６６】
本実施の形態による短パルスレーザ光源２０では、レーザ制御部２１が、半導体レーザ２２，２３に対し、振動電圧値αでなるレーザ駆動電圧ＤＪだけでなく、該振動電圧値αよりもさらに大きい特異電圧値βでなるレーザ駆動電圧ＤＪで駆動し得るようになされている。
【００６７】
これによりレーザ制御部２１は、図９に示したように、半導体レーザ２２，２３を特異モードに遷移させ、レーザ光ＬＬとして、当該半導体レーザ２２，２３から非常に大きい特異ピークＡＰＫを有する特異出力光ＬＡｐを出射させることができる。
【００６８】
［２−３．駆動電圧の制御］
ところで、本実施の形態による短パルスレーザ光源２０には、コンピュータ２３（図１）から、図１０に示すように、パルス生成器４１における設定パルスＳＬｓのパルス幅Ｗｓと、当該設定パルスＳＬｓの高さＨｓとの設定情報が与えられる。
【００６９】
短パルスレーザ光源２０は、この設定情報に示される設定内容にしたがって生成信号パルスＳＬｗにおける信号パルス幅及び信号レベルを変化させることにより、ＬＤドライバ２１Ｂ，２１Ｃによって生成される駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘ及び生成信号パルスＳＬｗの信号パルス幅を切り換える。
【００７０】
例えば、駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘを増大し、生成信号パルスＳＬｗの信号パルス幅を大きくした場合、特異ピークＡＰＫの最大出射光強度が増大され、特異スロープＡＳＰが大きくなる。
【００７１】
また、駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘを増大し、生成信号パルスＳＬｗの信号パルス幅を小さくした場合、特異ピークＡＰＫの最大出射光強度が維持され、特異スロープＡＳＰが小さくなる。
【００７２】
また、駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘを低減し、生成信号パルスＳＬｗの信号パルス幅を大きくした場合、特異ピークＡＰＫの最大出射光強度が維持され、特異スロープＡＳＰが大きくなる。
【００７３】
また、駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘを低減し、生成信号パルスＳＬｗの信号パルス幅を大きした場合、特異ピークＡＰＫの最大出射光強度が小さく、特異スロープＡＳＰも小さくなる。
【００７４】
このようにこの短パルスレーザ光源２０は、コンピュータ２３（図１）から送出される設定情報にしたがって生成信号パルスＳＬｗにおける信号パルス幅及び信号レベルを変化させることで、特異ピークＡＰＫ，特異スロープＡＳＰに対するレベルと幅の双方又は一方を可変することができる。すなわち特異ピークＡＰＫと、特異スロープＡＳＰとの割合を調整することができる。
【００７５】
また短パルスレーザ光源２０は、コンピュータ２３（図１）から送出される設定情報にしたがって生成信号パルスＳＬｗにおける信号レベルを振動電圧値αとすることで、緩和振動パルスのレーザ光ＬＬ（振動出力光ＬＭｐ）を得ることもできる。
【００７６】
以上のようにこの短パルスレーザ光源２０は、駆動電圧ＤＪにおける駆動電圧パルスＤＪｗの電圧値を切り換えることにより、緩和振動モード又は特異モードの切り換えに加えて、特異モードでの特異出力光ＬＡｐにおける特異ピークＡＰＫのレベル（高さ）を調整し得るようになされている。
【００７７】
［３．レーザ走査部の構成］
次に、レーザ走査部３０の構成を具体的に説明する。図１１に示すように、このレーザ走査部３０は、半導体レーザ２２から出射されるレーザ光のレーザ径を、ビームエキスパンダ３１によってレーザ強度が均質化された状態で広げる。そしてレーザ走査部３０は、ビームエキスパンダ３１から得られるレーザ光を偏光ビームスプリッタ３２で反射させ、結像レンズ３３及び１／２波長板３４を順次介して液晶位相変調素子３５に導く。
【００７８】
液晶位相変調素子３５は、コンピュータ１５によって画素ごとに制御される液晶の状態に応じて、１／２波長板３４から入射するレーザ光の位相ポジションを変位させて、入力部１７（図１）から指定されるレーザ光の照射位置に対応する部分のレーザ光を、１／２波長板３４及び結像レンズ３３を順次介して偏光ビームスプリッタ３２に透過させる。
【００７９】
レーザ走査部３０は、この偏光ビームスプリッタ３２を透過するレーザ光を偏光板３６を介して偏光ビームスプリッタ３７で反射させ、ダイクロイックミラー１２Ｃに導くようになされている。したがって、半導体レーザ２２から液晶位相変調素子３５を経てダイクロイックミラー１２Ｃに導かれるレーザ光は、入力部１７（図１）から指定されるレーザ光の照射位置に対応する部分に対物レンズ１２Ａにより集光されることとなる。
【００８０】
一方、レーザ走査部３０は、半導体レーザ２３から出射されるレーザ光のレーザ径を、ビームエキスパンダ４１によってレーザ強度が均質化された状態で広げる。そしてレーザ走査部３０は、ビーム強度均一化光学部４１から得られるレーザ光を偏光ビームスプリッタ４２で反射させ、結像レンズ４３及び１／２波長板４４を順次介して液晶位相変調素子４５に導く。
【００８１】
この液晶位相変調素子４５は、コンピュータ１５によって画素ごとに制御される液晶の状態に応じて、液晶位相変調素子３５と同一又は異なる照射位置に対応する部分のレーザ光を、１／２波長板４４及び結像レンズ４３を順次介して偏光ビームスプリッタ４２に透過させる。
【００８２】
レーザ走査部３０は、この偏光ビームスプリッタ４２を透過するレーザ光をミラー４６で折り曲げ、偏光板４７を介してリレーレンズ４８に導き、該リレーレンズ４８によって焦点距離を伸ばす。そしてレーザ走査部３０は、このリレーレンズ３７から得られるレーザ光を、偏光ビームスプリッタ３７を透過させてダイクロイックミラー１２Ｃに導くようになされている。
【００８３】
したがって、半導体レーザ２３から液晶位相変調素子４５ダイクロイックミラー１２Ｃに導かれるレーザ光は、半導体レーザ２２からダイクロイックミラー１２Ｃに導かれるレーザ光と同様に、入力部１７（図１）から指定されるレーザ光の照射位置に対応する部分に対物レンズ１２Ａにより集光されることとなる。
【００８４】
［４．動作及び効果］
以上の構成において、この神経細胞刺激装置１は、緩和振動が生じる電圧値以上となるパルス状の駆動電圧ＤＪを半導体レーザ２２（又は半導体レーザ２３）に印加し、該半導体レーザ２２から緩和振動パルスのレーザ光ＬＬ又はパルス状の特異ピークＡＰＫをもつレーザ光ＬＬを出力させる（主に図４又は図９参照）。
【００８５】
そして神経細胞刺激装置１は、このレーザ光ＬＬを、対物レンズ１２Ａによって可動ステージ１１に配されるサンプルＳＰＬに集光する（主に図１参照）。
【００８６】
したがってこの神経細胞刺激装置１では、半導体レーザ２２に対する電圧の印加によって、瞬間的に強いレーザ光をサンプルＳＰＬにおける刺激対象とされる部位に集中させることができため、短時間で活性化に至る刺激を与えることができ、この結果、サンプルＳＰＬに対するダメージを大幅に低減することができる。
【００８７】
これに加えて、半導体レーザ２２に対して電圧を印加する構成は現状でも一般的に小型なものとして実現できるので、この神経細胞刺激装置１では、従来短パルス出力を実現させるものとして用いられていた光学機器よりも大幅な小型化が可能となる。したがって、本発明によれば、正立型顕微鏡に搭載することが当然可能であり、また人体や動物に装着して使用することも可能になる。
【００８８】
また、この神経細胞刺激装置１は、駆動電圧パルスＤＪｗのパルス幅を切り換えることにより、特異ピークＡＰＫと、該特異ピークＡＰＫに続いて現れる特異スロープＡＳＰとの割合を調整することができる（主に図１０参照）。
【００８９】
ＣｈＲ２には２つの活性化状態があると考えられ、第１の活性化状態から第２の活性化状態への移行は直ちに起こるのではなくある程度の時間を要すると考えられている。この神経細胞刺激装置１では、特異ピークＡＰＫと特異スロープＡＳＰとの割合を調整することができるので、第１の活性化状態から第２の活性化状態への移行まで、刺激誘発に最小限必要とされるエネルギーを持続的に与えることができる。
【００９０】
したがって、この神経細胞刺激装置１では、サンプルＳＰＬに対するダメージを最小に抑えながら、該サンプルＳＰＬを確実に誘発させることができる。従来におけるチタンサファイヤレーザなどのピコ秒以下の極短パルスではＣｈＲ２は活性化されないので、特異ピークＡＰＫと特異スロープＡＳＰとの割合の調整によってサンプルＳＰＬに対するダメージを抑えつつ確実に誘発できるということは、非常に有用となる。
【００９１】
また、この神経細胞刺激装置１は、液晶位相変調素子３５（又は液晶位相変調素子４５：図１１）を用いて、特異出力光ＬＡｐにおける位相ポジションを、モニタ１６（図１）上におけるサンプルに対するレーザ照射位置の指定に応じて変化させる。
【００９２】
したがってこの神経細胞刺激装置１では、短パルスレーザ光源２０におけるレーザ光の出射位置を物理的に動かす場合に比して、短パルスレーザ光源２０に対する可動範囲を要することなくレーザ光の照射位置を調整でき、小型化をよりいっそう図ることができる。
【００９３】
これに加えてこの神経細胞刺激装置１では、液晶位相変調素子３５に対して複数のレーザ照射位置の指定した場合、各照射位置に対して、同時に、瞬間的に強いレーザ光を刺激部位に集中させることができる。異なる刺激部位を同時に刺激できるということは、有効な刺激部位を探索する等の観点で特に有用となる。しかも小型化で実現できるので技術的観点のみならずユーザフレンドリ性又は経済的観点からも有用となる。
【００９４】
また、この神経細胞刺激装置１は、半導体レーザ２２，２３から出力される特異出力光ＬＡｐにおける位相ポジションを、対応する液晶位相変調素子３５，４５を用いて、同一又は異なる状態に変化させる。
【００９５】
したがってこの神経細胞刺激装置１では、刺激部位に対して、単位時間当たりの駆動電圧パルスＤＪｗ（図３）の割当数を増加させることができるため、より一段と短時間で、活性化に至る刺激を与えることができる。液晶位相変調素子３５では、一般に、レーザ光の変調に要する時間が、当該レーザ光を当ててから活性化に至るまでの刺激時間よりも長時間となる。したがって１つの半導体レーザから出射される特異出力光ＬＡｐの照射位置を、その位相ポジションの変異によって所望の照射位置とする場合に比して、活性化に至る刺激を、短時間で確実に与えることができる。
【００９６】
また、この神経細胞刺激装置１は、半導体レーザ２２，２３に与えるべきパルス状の駆動電圧ＤＪ（駆動電圧パルスＤＪｗ）に対する電圧値を切り換えて、緩和振動又は特異ピークＡＰＫの強度を調整する（主に図１０参照）。
【００９７】
したがってこの神経細胞刺激装置１では、刺激部位に対して、単位時間当たりの駆動電圧パルスＤＪｗ（図３）の割当数を増加させるのみならず、該割当時における強度を可変させることができるため、刺激対象に対して所望の刺激パターンを与えることができる。このことは、神経細胞の動向を解析するする観点で非常に有用となる。
【００９８】
以上の構成によれば、半導体レーザ２２，２３に対する電圧の印加によって、瞬間的に強いレーザ光をサンプルＳＰＬにおける刺激部位に集中させることができるようにしたことにより、短時間で活性化に至る刺激を与えるとともに従来に比して小型化し得る神経細胞刺激装置１を実現できる。
【００９９】
［５．他の実施の形態］
上述の実施の形態では、２つの半導体レーザ２２，２３と、該半導体レーザ２２，２３に対応するレーザ走査部３０の光学系（３１〜３７，４１〜４８：図１１）とが適用された。しかしながら、１つの半導体レーザ２２と、半導体レーザ２２に対応するレーザ走査部３０の光学系（３１〜３７）とが適用される形態であってもよい。また、２以上の半導体レーザと、該半導体レーザに対応するレーザ走査部３０の光学系とが適用される形態であってもよい。
【０１００】
また上述の実施の形態では、駆動電圧パルスＤＪｗのパルス幅を切り換えて特異スロープＡＳＰの幅が可変できるようにされた。この可変は、光学的に行うことも可能である。
【０１０１】
例えば、使用すべき半導体レーザ２２，２３から出射されるレーザ光の波長を中心とする所定波長域の波長をカットするＢＰＦを、レーザ光の光路上と、それ以外の場所との間を移動可能に設ける。例えば図９で上述したように、特異スロープＡＳＰは半導体レーザ２２又は２３から出射されるレーザ光と同等の波長となる一方、特異ピークＡＰＫはレーザ光の波長よりも短波長となる。したがって、ＢＰＦを一定時間光路上に移動させて特異スロープＡＳＰを一定時間だけ抑制することで、該特異スロープＡＳＰの幅を可変することが可能となる。
【０１０２】
また上述の実施の形態では、短パルスレーザ光源がパルス幅による特異スロープと立上スロープによるモードとの双方が制御された。しかしながら他の実施の形態として、いずれか一方の制御を実行する形態が適用されてもよい。
【０１０３】
また上述の実施の形態では、パルス幅による特異スロープの制御と同時に駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘが調整された。しかしながら他の実施の形態として、制御と調整のいずれか一方を実行する形態が適用されてもよい。
【０１０４】
また上述の実施の形態では、設定パルスＳＬｓの高さＨｓの設定により駆動電圧パルスＤＪｗの最大電圧値Ｖｍａｘが調整された。しかしながらこの調整手法はこの実施の形態に限るものではない。例えば、ＬＤドライバ２１Ｂ，２１Ｃにおける増幅率を変化させることにより最大電圧値Ｖｍａｘを調整する調整手法が適用できる。
【０１０５】
また上述の実施の形態では、駆動電圧パルスＤＪｗとして矩形状のパルス電流が供給された。しかしながら供給手法はこの実施の形態に限るものではない。例えば、短時間に亘って大きな振動電圧値αでなるパルス電流が供給されてもよく、また正弦波状でなる駆動電圧パルスＤＪｗが供給されてもよい。
【０１０６】
また上述の実施の形態では、半導体レーザ２２，２３として一般的な半導体レーザ（ソニー株式会社製、ＳＬＤ３２３３など）が用いられた。要は、ｐ型とｎ型の半導体を用いてレーザ発振を行ういわゆる半導体レーザであれば良い。また敢えて緩和振動を大きく生じさせやすくした半導体レーザを用いることがさらに好ましい。
【０１０７】
また上述の実施の形態では、位相変調素子として液晶位相変調素子３５，４５が適用された。しかしながら位相変調素子はこの実施の形態に限定されるものではなく、液晶を利用した位相変調素子以外であっても適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本発明は、生物実験、医薬の創製又は患者の経過観察などのバイオ産業上において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】神経細胞刺激装置の構成を示す略線／ブロック図である。
【図２】短パルスレーザ光源の構成を示す略線／ブロック図である。
【図３】パルス信号とレーザ駆動電圧を示す略線図である。
【図４】駆動電流と出射光強度の説明に供する略線図である。
【図５】実際の発光波形を示す略線図である。
【図６】光測定装置の構成を示す略線図である。
【図７】実験結果（１）を示すグラフである。
【図８】実験結果（２）を示すグラフである。
【図９】特異出力光の波形を示す略線図である。
【図１０】パルス幅による特異出力光の制御の説明に供する略線図である。
【図１１】レーザ走査部の構成を示す略線／ブロック図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１……神経細胞刺激装置、１１……可動ステージ、１２……光学系、１３……照明灯、１４……カメラ、１５……コンピュータ、１６……モニタ、１７……入力部、２０……短パルスレーザ光源、２１Ａ……パルス生成部、２１Ｂ，２１Ｃ……ＬＤドライバ、２２，２３……半導体レーザ、３０……レーザ光走査部、３１，４１……ビームエキスパンダ、３２，３７，４２……偏光ビームスプリッタ、３３，４３……結像レンズ、３４，４４……１／２波長板、３５，４５……液晶位相変調素子、３６，４７……偏光板、４８……リレーレンズ、ＳＧ……スライドガラス、ＳＰＬ……サンプル、τｄ……発光開始時間、ＤＪ……レーザ駆動電圧、ＤＪｗ……駆動電圧パルス、ＬＬ……レーザ光、ＳＬ……パルス信号、ＳＬｗ……生成信号パルス、ＬＭｐ……振動出力光、ＬＡｐ……特異出力光、ＡＰＫ……特異ピーク、ＡＳＰ……特異スロープ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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