(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体組織を刺激する装置であって、マイクロ電極（１１）のアレイ（１）を含み、各マイクロ電極（１１）は生体組織に電気刺激信号を局所負荷するための局所負荷セクション（２１０）および電気刺激信号を送るためのコンダクター（２１）を含み、ここに、
各マイクロ電極（１１）は、電気刺激信号の負荷のために選択され得、
マイクロ電極（１１）は互いに絶縁され、
電気刺激信号を送るためのコンダクター（２１）は互いに絶縁され、
局所負荷セクション（２１０）は互いに絶縁され、
複数の導電ゾーン（３１）が、各々、複数の局所負荷セクション（２１０）の近傍に位置し、かつ、これらの局所負荷セクション（２１０）から絶縁され：
前記複数の導電ゾーン（３１）は、マイクロ電極（１１）を補足し、かつ、マイクロ電極（１１）から分離された補足導電面（３）の一部であって、前記補足導電面（３）は、生体組織を刺激するために選択されたマイクロ電極（１１）によって生体組織へ搬送された電気刺激信号の完全または部分的返還を保証し、
接続手段（３２、３７、３８、５０、５２）が、補足導電面（３）の複数の導電ゾーン（３１）の間の電気的接続を保証するために備えられて、補足導電面（３）の導電ゾーン（３１）が実質的に等電位にあり、
補足導電面（３）は、また、電気刺激信号の少なくとも一部を返還する外部返還コンダクター（３５）に接続することが意図された少なくともひとつのポート（３３）に接続され、所定の複数のマイクロ電極（１１）の少なくともひとつからの集中刺激を保証し、かつ、異なる所定のマイクロ電極（１１）のいくつかの局所負荷セクション（２１０）のための共通集中化手段として作用するように形成されていることを特徴とする、装置。
【請求項２】
単一の補足導電面（３）を含むことを特徴とする、請求項１の装置。
【請求項３】
補足導電面（３）の個数がアレイ中のマイクロ電極（１１）の個数の１０分の１未満であることを特徴とする、請求項１および２のいずれかの装置。
【請求項４】
実質的に等電位であるいくつかの補足導電面（３）が存在することを特徴とする、請求項１の装置。
【請求項５】
実質的に異なる電位であるいくつかの補足導電面（３）が存在することを特徴とする、請求項１および３のいずれかの装置。
【請求項６】
少なくともひとつの補足導電面（３）の電位が少なくともひとつのマイクロ電極（１１）の電位とは異なることを特徴とする、請求項１から５のいずれかの装置。
【請求項７】
補足導電面（３）がマイクロ電極（１１）と同じ支持体に統合されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれかの装置。
【請求項８】
補足導電面（３）がマイクロ電極（１１）の支持体と異なる支持体に統合されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれかの装置。
【請求項９】
補足導電面（３）が、導電ゾーンがマイクロ電極（１１）まわりを通るメッシュで形成されているグリッドの形態であり、接続手段（３２）が、補足導電面（３）上のメッシュの互いの交点であることを特徴とする、請求項１から８のいずれかの装置。
【請求項１０】
メッシュが、各々、単一マイクロ電極（１１）を取り囲むことを特徴とする、請求項９の装置。
【請求項１１】
グリッドが直線交差線で形成されていることを特徴とする、請求項９および１０のいずれかの装置。
【請求項１２】
マイクロ電極（１１）を取り囲むグリッドのメッシュの各々が、このメッシュによって定められている空間に束縛される刺激ピクセルを形成することを特徴とする、請求項９から１１のいずれかの装置。
【請求項１３】
補足導電面（３）がマイクロ電極（１１）の間を通ることを特徴とする、請求項１から１２のいずれかの装置。
【請求項１４】
補足導電面（３）がマイクロ電極（１１）を取り囲むことを特徴とする、請求項１から１３のいずれかの装置。
【請求項１５】
補足導電面（３）がマイクロ電極（１１）の局所負荷セクション（２１０）の通過のための開口（３６）とつながっていることを特徴とする、請求項１から１４のいずれかの装置。
【請求項１６】
補足導電面（３）がマイクロ電極（１１）間に電気的に並列なブランチ（３９）を含み、各々はいくつかのマイクロ電極（１１）の近傍を通ることを特徴とする、請求項１から１５のいずれかの装置。
【請求項１７】
異なる導電ゾーン（３１）間の電気接続手段（３２、３７、５０）が、少なくとも部分的に、補足導電面（３）に位置することを特徴とする、請求項１から１６のいずれかの装置。
【請求項１８】
電気接続手段（３８、５２）が、少なくとも部分的に、補足導電面（３）の外部、補足導電面（３）の支持体の内部もしくは外部、または、補助外部電気回路内に位置することを特徴とする、請求項１から１６のいずれかの装置。
【請求項１９】
補足導電面（３）が、１００Ｈｚから１，０００Ｈｚの振動数にて１００Ｓ／ｍ２以上の生体組織との界面導電率を有することを特徴とする、請求項１から１８のいずれかの装置。
【請求項２０】
補足導電面（３）が、１００Ｈｚから１，０００Ｈｚの振動数にて１，０００Ｓ／ｍ２以上の生体組織との界面導電率を有することを特徴とする、請求項１から１８のいずれかの装置。
【請求項２１】
補足導電面（３）が、１００Ｈｚから１，０００Ｈｚの振動数にて４０，０００Ｓ／ｍ２以上の生体組織との界面導電率を有することを特徴とする、請求項１から１８のいずれかの装置。
【請求項２２】
マイクロ電極（１１）にアクセスするための複数の電気ポート（１３）を含み、それらは、各々、アレイ（１）の複数のマイクロ電極（１１）と関連し、補足導電面（３）のポート（３３）は単一で、かつ、マイクロ電極（１１）の電気ポート（１３）から分離されていることを特徴とする、請求項１から２１のいずれかの装置。
【請求項２３】
マイクロ電極（１１）にアクセスするための複数の電気ポート（１３）を含み、それらは、各々、アレイ（１）の複数のマイクロ電極（１１）と関連し、補足導電面（３）のポート（３３）は複数で、かつ、マイクロ電極（１１）の電気ポート（１３）から分離されていることを特徴とする、請求項１から２１のいずれかの装置。
【請求項２４】
前記アレイ（１）が、前記局所負荷セクション（２１０）および前記補足導電面（３）を包含する領域（１４）を含み、ここに、前記マイクロ電極（１１）のうち前記アレイ（１）の縁に位置するマイクロ電極（１５）が領域（１４）を定め、補足導電面（３）のポート（３３）は前記領域（１４）の外部に位置することを特徴とする、請求項１から２３のいずれかの装置。
【請求項２５】
前記アレイ（１）が、前記局所負荷セクション（２１０）および前記補足導電面（３）を包含する領域（１４）を含み、ここに、前記マイクロ電極（１１）のうち前記アレイ（１）の縁に位置するマイクロ電極（１５）が領域（１４）を定め、補足導電面（３）のポート（３３）は前記領域（１４）の内部に位置することを特徴とする、請求項１から２３のいずれかの装置。
【請求項２６】
第１システム（４）、第２システム（５）およびマン−マシンインターフェース（６）をさらに含み、
第１のシステム（４）は、マイクロ電極（１１）および補足導電面（３）のポート（３３）に接続され、かつ、第２のシステム（５）に接続されて、電気刺激信号を発生し、マイクロ電極（１１）で記録された電気活性を増幅および多重化し；
第２のシステム（５）は、少なくともひとつの予め選択されたマイクロ電極（１１）に所定の電気刺激信号を送るように第１システム（４）を制御し、かつ、電気刺激信号に応答する生体組織の電気活性を収集し；ならびに
マン−マシンインターフェース（６）は、第２のシステム（５）に備えられ、第２のシステム（５）に伝達された生体組織の電気活性を再生することを特徴とする、請求項１から２５のいずれかの装置。
【請求項２７】
細胞調製物、外植体、生きた微生物、単離した生体器官、単離した生体器官の一部との接触のための、請求項１から２６いずれか１に記載の装置のイン・ビトロ使用。
【請求項２８】
請求項１から２６いずれか１に記載の装置に搭載することが意図されたリムーバブルアッセンブリーであって、同じひとつのリムーバブルモジュール上またはいくつかの分離したリムーバブルモジュールに分散して、
マイクロ電極のアレイ（１）と、
補足導電面（３）と、
アレイ（１）の複数のマイクロ電極（１１）に各々がアクセスするための複数の電気ターミナル（１３）およびマイクロ電極（１１）の電気ターミナル（１３）から分離された補足導電面（３）にアクセスするためのターミナル（３３）を含む、外部とマイクロ電極（１１）および補足導電面（３）との電気接続のためのインプット―アウトプット電気インターフェース回路（１６）と、
を含むことを特徴とする装置。
【請求項２９】
生体組織から発せられた電気活性を記録するための、請求項１から２６いずれか１に記載の装置の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ電極のアレイで生体組織を刺激する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ電極のアレイを、例えば、神経生理学または薬理学のアプリケーションに用いる。
【０００３】
これらのアレイを用いて、生体組織の電気的活性（細胞または複数の細胞の活性）を記録する。また、それらを用いて組織を電気的に刺激する。これは、いかなる型の励起可能な組織、特に、神経組織、筋肉、例えば、心臓組織または幹細胞に適用される。
【０００４】
特に、神経細胞の集中刺激を達成することが模索されている。
【０００５】
ひとつの長期アプリケーションは、神経補綴に関係し、体内（とりわけ、人体であるが、動物でも）に埋め込むマイクロ刺激装置の開発をターゲットとして、電気刺激を発生させ、かつ、体内器官の疾患または異変のイベントにおける神経ネットワークの病的機能を補償する。刺激は、例えば、運動障害のイベントにおける脊髄の神経変性症（例えば、パーキンソン、アルツハイマー、認知症）のための、または、疼痛、例えば、筋肉痛もしくは、抹消神経、網膜、蝸牛（内耳）その他の感覚中継のごとき感覚器官の痛みの治療のための、脳の深部刺激であろう。
【０００６】
生体神経を刺激するには、マイクロ電極のアレイは、それゆえ、刺激される生体組織の規模の大きさでなければならない。
【０００７】
刺激マイクロ電極は、普通、数十マイクロメータ以下の桁の直径を有し、数百マイクロメータ以下の間隔で並べられる。しかしながら、中枢または抹消の神経系のより巨視的刺激のためには、より大きい電極（ｍｍまたはｃｍの大きさ）を用いる。
【０００８】
以下に引用する文献［１］から［６］は、刺激電極のアレイとそれらの使用方法を記載する。そのアレイは数十ないし数百の刺激マイクロ電極を含むことができる。
【０００９】
文献［１］は、例えば、３６の刺激マイクロ電極および４の参照電極のアレイを提供する。
【００１０】
文献［５］は、これらのマイクロ電極を２つのグループに分割することを提供し、ひとつは刺激に用いるもの、もうひとつは記録に用いるものであり、それによってマイクロ電極の数が２倍になる。
【００１１】
マイクロ電極で遭遇する問題点のひとつは、生体組織の集中刺激を得ることである。刺激マイクロ電極のアレイにおいて、刺激信号がそれらのマイクロ電極のうちのひとつに送られるならば、それは、このマイクロ電極に対面する位置にある神経組織の領域を刺激することになる。
【００１２】
単極刺激は、図１に図示するように、生体細胞ＶＩＶの刺激が、アレイ１の刺激マイクロ電極１０のうちから刺激マイクロ電極１１と刺激マイクロ電極のアレイ１の遠位接地ＲＧとの間でなされるということで知られている。
【００１３】
二極刺激では、図２に図示するように、刺激は、アレイ１の２つの刺激マイクロ電極１１および１２の間でなされる。
【００１４】
これらの２つのタイプの刺激は完全に満足いくものではないが、単極刺激での場合、ニューロンから離れた電極は、それでも、このニューロンに近い電極と同じ電流でこのニューロンを活性化し、また、二極刺激の場合、刺激している電極に近いニューロンが励起されないブラインドスポットがある。
【００１５】
文献［８］WO2005/087309は、神経または筋肉の励起のための電極の配置を記載し、それは、大きなサイズの電極を、その大きなサイズの電極が占める空間に相当する空間の全てを占める小さな電極群で置き換えることからなる。これらの群は単一の刺激部位を生じる。各刺激部位は３または５群を含み、各々は導線で一緒に接続された導電面エレメントからなっている。電極のアレイは７つの刺激部位を含み、各々は５群を含み、それらの各々は導線で一緒に接続された導電面エレメントからなっている。各刺激部位につき複数群の電極の使用は、単一の大きなサイズの電極で得られるものと比較して、刺激部位に対向する刺激される領域においてより均質な電位分布を可能とする。これは、刺激の均質化をもたらし、それはそれらの集中化に有害である。
【００１６】
文献［７］は、神経細胞体の優先刺激の方法を提供し、それによって、刺激電極を神経組織の領域の近傍に配置し、その電極は、ディスク型の第１内側導電領域と、それを取り囲むリング型の第２導電領域を含み、第１および第２の導電領域は絶縁領域で分離されている。刺激電流は、中央円形コンダクターとリングコンダクターとの間に伝送され、このリングコンダクターは電流返還ループを提供する。神経組織における電流の横方向分散は単極刺激でのものよりもより局所的な領域内に含有され、それは、電極によって活性化される細胞体数が、中央電極に近いものを含むだけに限定されることを意味する。
【００１７】
この装置は、刺激電極の接続が二重であることを必要とし、また、局所細胞を刺激するためにはより高い電流を伝送することを必要とするという２つの欠点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第５,４１１,５４０号
【特許文献２】国際出願WO2005/087309
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Microelectrode arrays for stimulation of neural slice preparations: D.A. Borkholder, J. Bao, N.I. Maluf, E.R. Perl, G.T.A. Kovacs, Journal of Neuroscience Methods 77 (1997)61-66.
【非特許文献２】Fabrication of microelectrode arrays for neural measurements from retinal tissue: W. Cunningham, K. Mathieson, F.A. McEwan, A. Blue, R. McGeachy, J.A. McLeod, C. Morris-Ellis, V. O'Shea, K.M. Smith, A. Litke, M. Rahman, Journal of Physics D: Applied Physics 34 (2001)2804-2809.
【非特許文献３】Sheet conductor model of brain slices for stimulation and recording with planar electronic contacts: P. Fromherz, Eur Biophys J (2002) 31:228-231.
【非特許文献４】Effective parameters for stimulation of dissociated cultures using multi-electrode arrays: Daniel A. Wagenaar, Jerome Pine, Steve M. Potter, Journal of Neuroscience Methods 138 (2004) 27-37.
【非特許文献５】Multi-electrode stimulation and recording in the isolated retina: Andrew E. Grumet, John L. Wyatt, Joseph F. Rizzo, Journal of Neuroscience Methods 101 (2000) 31-42.
【非特許文献６】A three-dimensional multi-electrode array for multi-site stimulation and recording in acute brain slices: Marc Olivier Heuschkel, Michael Fejtl, Mario Raggenbass, Daniel Bertrand, Philippe Renaud, Journal of Neuroscience Methods 114 (2002) 135-148.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、所定のサイド−バイ−サイド構成で配置され、かつ、当該マイクロ電極のひとつによって電気刺激信号の負荷につき選択され得る刺激マイクロ電極のアレイでこれらの欠点を解消する。
【００２１】
特に、刺激装置は、アレイ中の多数の刺激マイクロ電極に一般化されることが可能であると同時に、実装が容易でなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
この目的のため、本発明の対象は生体組織を刺激する装置であって、所定のサイド−バイ−サイド構成で配置され、当該マイクロ電極のひとつによって電気刺激信号の負荷につき選択され得るマイクロ電極のアレイを含み、それらのマイクロ電極は互いに絶縁され、各々は刺激信号を送るコンダクターを含み、生体組織に対する局所負荷のセクションを有し、
【００２３】
マイクロ電極コンダクターに加えて、生体組織に対して全部または一部負荷のために少なくともひとつの補足導電面を含み、この面はマイクロ電極コンダクターから絶縁され、かつ、各々がアレイのマイクロ電極の局所負荷のための所定の複数のセクションの近傍に位置する複数の導電ゾーンを含み、
【００２４】
接続手段が、補足面の導電ゾーンの間で電気的接続を保証するように提供され、
【００２５】
前記補足導電面は、少なくとも一部の刺激信号を返し、かつ、所定の複数のマイクロ電極の少なくともひとつから集中刺激を保証するように形成された外部コンダクターに接続されることが意図される少なくともひとつのポートにも接続されることを特徴とする。
【００２６】
本発明の具体例によれば、
―  補足導電面はマイクロ電極と同じ支持体に統合され、
―  または、補足導電面はマイクロ電極と異なる支持体に統合される。
―  補助電極面は、その導電ゾーンがマイクロ電極まわりを通るメッシュによって形成されるグリッドの形態であり、接続手段がメッシュ間の交差点によって補足面上に形成される。
―  マイクロ電極まわりを通るメッシュは、各々、単一マイクロ電極を取り囲む。
―  前記グリッドは直線交差線（rectilinear secant line）によって形成される。
―  マイクロ電極を取り囲むグリッドのメッシュの各々は、このメッシュが定める空間に拘束された刺激ピクセルを形成する。
―  補足導電面はマイクロ電極の間を通る。
―  補足導電面はマイクロ電極を取り囲む。
―  補足導電面はマイクロ電極の局所負荷セクションの通過のための開口とつながっている。
―  補足導電面は、マイクロ電極間に電気的に並列なブランチを含み、各々はいくつかのマイクロ電極の近傍を通る。
―  異なる導電ゾーン間の電気接続手段は、少なくとも一部、補足導電面内に位置する。
―  電気接続手段は、少なくとも一部、補足導電面の外側、補助電極面の支持体の内側もしくは外側、または、補足外部電気回路内に位置する。
―  補足導電面は、１００Ｈｚから１,０００Ｈｚの振動数にて１００Ｓ／ｍ２以上の界面導電率（電極と組織との間の界面導電率）を有する。
―  補足導電面は、１００Ｈｚから１,０００Ｈｚの振動数にて１００Ｓ／ｍ２以上、好ましくは、１００Ｈｚから１,０００Ｈｚの振動数にて４０,００Ｓ／ｍ２以上の界面導電率（電極と組織との間の界面導電率）を有する。
―  マイクロ電極のアレイは、マイクロ電極間の空間ピッチ（spacing pitch）を有し、補足面の導電ゾーンは、複数のマイクロ電極から、マイクロ電極間の最大空間ピッチの５倍と同じかそれ未満の距離、好ましくは、複数のマイクロ電極から、マイクロ電極間の最小空間ピッチと同じかそれ未満の距離を通る。
―  補足面の導電ゾーンは、複数のマイクロ電極から、５００μｍと同じかそれ未満の距離を通る。
―  装置は、マイクロ電極にアクセスするための複数の電気ポートを含み、それらは、各々、アレイの複数のマイクロ電極と関連し、補足導電面のポート３は単一で、かつ、マイクロ電極の電気ポートから分離されている。
―  装置は、マイクロ電極にアクセスするための複数の電気ポートを含み、それらは、各々、アレイの複数のマイクロ電極と関連し、補足導電面のポートは複数で、かつ、マイクロ電極の電気ポートから分離されている。
―  装置は、複数ならば各補助電極面につき、マイクロ電極にアクセスするための複数の電気ポートを含み、それらは、各々、アレイの複数のマイクロ電極と関連し、補足導電面のポートは単一で、かつ、マイクロ電極の電気ポートから分離される。
―  アレイの縁に位置するマイクロ電極は生体組織に適用するための領域を定め、補足導電面の縁またはポートはマイクロ電極の負荷領域の外部に位置する。
―  装置は、電気刺激すなわち刺激電流を発生し、マイクロ電極を介して、それらを組織に伝送し、また、マイクロ電極で記録された信号を増幅および多重化する第１のシステムをさらに含む。このシステムは、マイクロ電極および面ポートに接続されている。この装置は、また、少なくともひとつの予め選択されたマイクロ電極にマン―マシンインターフェース上に所定の刺激信号を送る目的で第１のシステムを制御し、マン―マシンインターフェース上でその再生のため刺激信号に応答するか応答しない生体組織の活性を収集する、マンーマシンインターフェースに付与された獲得および制御のための第２のシステムも含む。
―  アレイの縁に位置するマイクロ電極は生体組織に適用するための領域を定め、面ポートはマイクロ電極の負荷領域の内部に位置する。
―  装置は、生体組織または生体器官の一部、イン・ビボまたはイン・ビトロで、細胞調製物、外植体、生きた微生物、研究システム、単離した生体器官、単離した生体器官の一部または生体用インプラントとの接触を提供する。
【００２７】
本発明の第２の目的は、上記のごとき装置に搭載することが意図されたリムーバブルアッセンブリーであって、同じひとつのリムーバブルモジュール上またはいくつかの分離したリムーバブルモジュールに分散して、マイクロ電極のアレイと、補足面と、アレイの複数のマイクロ電極に各々がアクセスするための複数の電気ターミナルおよびマイクロ電極の電気ターミナルから分離された補足面にアクセスするためのターミナルを含む、外部とマイクロ電極および補足面との電気接続のためのインプット―アウトプット電気インターフェース回路と、を含むことを特徴とする。
【００２８】
本発明の第３の目的は、生体組織から発せられる信号の記録のための上記のごとき装置の使用である。
【００２９】
本発明は、以下の説明を読めばより理解され、それは単に非限定的な実施例として与えられ、添付する図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】マイクロ電極アレイの既知例の概略斜視図
【図２】マイクロ電極アレイの既知例の概略斜視図
【図３】本発明による刺激マイクロ電極のアレイの第１の具体例の概略斜視図
【図４】本発明による刺激マイクロ電極の線形アレイの具体例の一例
【図５】本発明による刺激マイクロ電極のアレイの第２の具体例の概略斜視図
【図６】本発明による刺激マイクロ電極のアレイの第３の具体例の概略斜視図
【図７】本発明による刺激マイクロ電極のアレイの第４の具体例の概略斜視図
【図８】本発明による刺激マイクロ電極のアレイの第５の具体例の概略斜視図
【図９】本発明による刺激マイクロ電極のアレイの第６の具体例の概略斜視図
【図１０】本発明によるマイクロ電極のアレイと用いることができる電子測定および刺激システム
【図１１】異なるタイプの刺激についての刺激マイクロ電極からの距離の関数の電位のダイアグラム
【図１２】異なるタイプの構成についての刺激マイクロ電極からの距離の関数の電位を示すダイアグラム
【図１３】異なる面導電性についての刺激マイクロ電極からの距離の関数の電位を示すダイアグラム
【発明を実施するための形態】
【００３１】
生体組織の細胞外電気刺激は、組織と接触するように置かれた電極の組み合わせを通過する電流を生じることからなる。いくつかの電極は組織内に正電流を流し、その他は同時に組織内に負電流を流し、正電流の強度の合計を負電流の強度の合計と同じにする。これらの電流を流すために、電位値を電極に負荷する。これらの値は、定義により、０Ｖの電位を有する接地電極に対して、決定する。
【００３２】
もっとも簡便な刺激は、単極刺激である。これは、電流（正または負）を単一の電極に流すことからなる：電位は単一の電極に負荷する。したがって、電流は電位０Ｖにある接地を介して戻る。従来、接地は刺激電極から遠く離れた、通常ｍｍオーダーのところに位置する。
【００３３】
空間的により集中した刺激を得るために、従来、多極刺激が用いられている：ひとつではなくいくつかの電極を組み合わせて用いて、それらの異なる電位を負荷する（それゆえ、多極なる用語である）。例えば、通常サイド−バイ−サイドに配置された２つの電極に異なる電位値を負荷して、通常、２つの電極を流れる電流が同一の強度かつ反対の符号になるようにすることによって、二極刺激を用いる。同様に、三極刺激は３つの電極を用い、通常、ひとつの中央電極から流された電流は、等量がそれを取り囲む２つの別の電極を介して戻る。多極構成において、異なる電極に負荷される電位のレベルが正負の電流が互いに十分に相殺できなければ、残余電流は接地電極を介して戻る。
【００３４】
多極刺激の間、異なる電位となるいくつかの電極を組み合わせて用いる。しかしながら、複数の電極が関与するにもかかわらず、この電極群は単一刺激ユニットを形成する。電極のアレイの使用は、アレイがいくつかの刺激ユニットを含有するように構築できるようにする。もっとも簡便な場合は単極刺激の場合であって、アレイの各電極が（接地と一緒になって）ユニットを形成する。この場合、電極の存在と同じほど多くのユニットがある。刺激を集中させるために、各刺激ユニットはいくつかの電極からなり得る。例えば、電極対からなる二極ユニットを作ることが可能であるが、このアプローチは、同一数の刺激ユニットを得るためにアレイのマイクロ電極数が二倍になるという欠点を有している。
【００３５】
本発明の利点の一つは、アレイ中の電極数と同数の刺激ユニットを提供しつつ、刺激集中における利得を得ることができることである。もうひとつの利点は刺激強度の損失が少ないことである。
【００３６】
図３から１０において、アレイ１の各マイクロ電極１１は、生体組織に適用することが意図され、それに刺激信号を送る刺激マイクロ電極として作用することができる負荷コンダクター（application conductor）２１を含む。したがって、刺激電流はこのコンダクター２１を通る。このコンダクターは、他の電極のコンダクターから絶縁され、部分的に生体組織から絶縁されている。各マイクロ電極コンダクター２１は、生体組織への局所負荷のためのセクション２１０を含み、それは、生体組織に対面し、それに必ず接する部分であり、例えば、コンダクター２１の先端によって形成され、例えば円形である。各マイクロ電極コンダクター２１は、通常独立した外部ポート１３も含み、アレイ１の支持体４０への電気回路の接続を許容する。マイクロ電極１１間の空間ピッチは、アレイ全体につき所定の値に設定できるし、アレイの異なる領域ごとに異なる値を有してもよい。ポート１３は、通常、アレイの支持体にて互いに絶縁されている。
【００３７】
一以上の補足導電面３はいくつかのまたは全てのマイクロ電極１１の近傍に配置される。各面３およびマイクロ電極１１は、それらが共同して生体組織に適用でき、かつ、面３を用いて、隣接するマイクロ電極から送られた刺激電流を、それをその近傍に集中することによって戻すように位置している。セクション２１０および面３は、通常、組織に関して同じ側を向いている。刺激マイクロ電極１１にアクセスするポート１３、コンダクター２１およびセクション２１０は、例えば、面３の一つと異なり、この面の上か下かの層の中を通ることによって、面３から電気的に絶縁されている。導電セクション２１０および導電面３は、生体組織にまたはその中に適用する側に露出している。
【００３８】
面３は、したがって、マイクロ電極のいくつかの負荷セクション２１０の近傍に位置する導電ゾーン３１を含み、これらのゾーンは互いに接続され実質的に等電位である。
【００３９】
面３は、異なるマイクロ電極１１の共通するいくつかの負荷セクション２１０を集中化する手段として用いられる。
【００４０】
本発明によれば、グリッドすなわち補足面３は刺激マイクロ電極と同じ電位にはなく、刺激を均質化し、それゆえ、同一の刺激部位の全てのマイクロ電極で電位が同じであることを目的とする文献［８］WO2005/087309の場合とは違う。
【００４１】
各マイクロ電極１１は、通常、単一の刺激部位を形成する。しかしながら、いくつかのマイクロ電極は刺激について同時に選択され得、いくつかの刺激部位の同時使用に相当する。各局所負荷セクション２１０は、通常、単一の刺激部位を形成する。補足面３すなわちグリッドは、そのポート３３、３５を介して、それらのポート１３を介して、通常、マイクロ電極１１に、例えば、選択されているマイクロ電極１１の負荷セクション２１０を介して、刺激のために送られる電位と異なる電位に設定される。補足面３の電位は、通常、ゼロボルトに設定されるが、ゼロボルトとは異なる値に設定できる。補足面は刺激のために選択されたマイクロ電極１１によって搬送された刺激電流の完全または部分的返還を保証する。通常、単一補足面３は全てのマイクロ電極１１について共通して提供される。いくつかの補足面３は、独立してまたは共同して、好ましくは同一電位にて用い得る。例えば、少なくとも０．１ミリボルト（０．１ｍＶ）の異なる電位にされたいくつかの補足面３があってもよい。
【００４２】
少なくともひとつの補足面３の電位は、所定の複数のマイクロ電極１１のうちの少なくともひとつのマイクロ電極の、例えば、少なくとも０．１ミリボルト（０．１ｍＶ）の電位とは異なる。
【００４３】
用いる補足面の数は、好ましくは、検討されている負荷の領域における刺激のために選択され得るアレイ中のマイクロ電極１１の数の１０分の１未満である。
【００４４】
図３に示す具体例において、補足面はマイクロ電極１１の間に挿入された導電性グリッド３を形成しつつ、マイクロ電極を取り囲む。グリッド３はマイクロ電極１１を取り囲む導電ゾーンを形成するメッシュ３１を含み、これらのゾーン３１は、グリッド３の節またはブランチ３２を介して互いに導電的に接続されている。グリッド３は隣接するマイクロ電極１１間に位置する空間内に配置されたメッシュ３１を含む。
【００４５】
図３、４、５、６および７に示す具体例において、各メッシュ３１または開口３６は、単一の関連するマイクロ電極１１を取り囲む。各メッシュは、しかしながら、複数のマイクロ電極を取り囲む。
【００４６】
各刺激マイクロ電極１１およびそれに関連するコンダクター２１は面３から電気的に絶縁されている。
【００４７】
図３、４、５、６および８に示す具体例において、面３は、単に、刺激マイクロ電極１１のひとつによって生体組織に送られた刺激信号の変換のための単一外部コンダクター３５、および、面３を外部返還コンダクター３５に接続する単一アクセスターミナル３３を要するのみである。したがって、刺激信号の変換のために刺激マイクロ電極１１間に補足アクセスコンダクターを挿入する必要はない。刺激マイクロ電極１１のアレイは面３を提供し、それらのポート１３および３３はリムーバブル独立モジュール１に配置でき、それは、外部とのインターフェースのためのインプットーアウトプット電気回路１６中に、マイクロ電極１１にアクセスするための電気ポート１３および面３にアクセスするためのターミナル３３を有する。この独立モジュール１は、各々、刺激マイクロ電極１１のポート１３への電気接続のためのターミナル４１およびポート３３への電気接続のためのターミナル３５を有するベース４に搭載できる。このモジュール１は、それ自体、特に移植のための記録および刺激エレクトロニクスの全てまたは一部を含有することもできる。
【００４８】
これは、刺激マイクロ電極１１周囲の生体組織の集中的かつ空間的に均質な刺激を与える。刺激の集中化の問題は、いくつかのマイクロ電極１１が同時に刺激するとしても、電流の返還を保障する面３によって形成される単一の対電極を用いる非常に簡単な技術様式で解決される。本発明は、各刺激マイクロ電極１１に束縛される刺激ピクセルの概念の導入を許容し、それは、網膜の各領域が他の領域と非相関的に局所的に刺激されるべき網膜移植を構築する際に、最も大事なものである。加えて、本発明は、刺激電極の数の複数化を要求し、細胞を刺激するためにいっそうの電流を必要として、非均質刺激ゾーンを作る多極刺激がなくてすむ。
【００４９】
例えば、マイクロ電極１１は図３の直行する行と列のような整然とした配置を有し、そして、グリッド３はできれば刺激マイクロ電極１１間の空間を通過する直行する直線の形態である。明らかに、マイクロ電極１１およびグリッド３はいかなる別の構成を有することもできる。
【００５０】
刺激マイクロ電極１１は、生体組織に対する刺激装置の負荷のため、領域１４に配分され、この負荷のための負荷領域１４はアレイ１の縁に位置する刺激マイクロ電極１５によって定められている。面３にアクセスするためのポート３３は、通常、マイクロ電極１１の負荷領域１４の外側にあり、上記の従来技術と異なり、刺激マイクロ電極１１の間を通らない。しかしながら、面３への直接アクセスは、例えば、マイクロ電極の支持体の厚みを抜けるマイクロ電極１１の平面から把握できる。
【００５１】
明らかに、刺激マイクロ電極１１および面３から離れた遠位接地は刺激電流の返還のための面３に加えて設けられる。しかしながら、遠位接地の導電率が面３の導電率よりも大きければ、刺激は遠位接地がない場合よりも集中が少ないかもしれない。
【００５２】
刺激マイクロ電極１１の負荷セクション２１０および面３は、いかなる形態、例えば、平面であるが、曲面でもあり得る。面３は、所望により、例えば、イン・ビボ３Ｄアプリケーションのために、マイクロ電極１１の支持体とは異なる支持体上に挿入することができる。
【００５３】
図４に示す具体例において、面３は図３によるグリッドの形態であり、刺激マイクロ電極１１の負荷セクション２１０は水平線に整列し、各セクション２１０はメッシュ３１で取り囲まれ、グリッド３はできればいずれのマイクロ電極をも取り囲んでいない別のメッシュ３２を有する。
【００５４】
図５に示す具体例において、補足導電面３はマイクロ電極１１のセクション２１０の通過のための開口３６がある領域１４とつながり、後者から所望の距離離れ、例えば、形状が適合するものである。
【００５５】
図６および７に図示する具体例において、セクション２１０の近傍の導電ゾーン３１は、各々、セクションから一定の距離にてセクション２１０を取り囲む。導電ゾーン３１の形状は、例えば、セクション２１０の形状に適合し、例えば、円形セクション２１０に対してはリング形状である。
【００５６】
図６に図示する具体例において、セクション２１０の近傍のゾーン３１は、互いに、これもまた導電性であるラグ３７を介して、例えば、領域１４の二つの交差方向で接続され、これらのラグ３７は面３の部分を形成し、生体組織に適用されてもされなくてもよく、直線であってもなくてもよい。
【００５７】
図７に示す具体例において、セクション２１０の近傍のゾーン３１は、互いに、面３の外部のコンダクターを介して接続され、アレイ１および面３が負荷されているときは生体組織に適用されない。外部コンダクター３８はポート３３に接続される。
【００５８】
図８および９に示す具体例において、セクション２１０の近傍のゾーン３１は、セクション２１０の間に延在し、同じ側に位置するいくつかの連続したセクション２１０の近く、例えば、セクション２１０のいくつかの列の間を通る所定の連続経路をたどるブランチ３９を含む。ブランチ３９は電気的に並列であり、例えば、クロスメンバー５０を介して、互いに接続され、このクロスメンバー５０は生体組織に適用される面３の一部であり、直線であってもなくてもよく、および／またはコンダクター３８に類似する接続手段５２を設置できる。ブランチ３９は例えば直線であり、互いに物理的に並行である。
【００５９】
図９に図示する具体例において、少なくともひとつのブランチ３９は、ブランチ３９と同じ側に置かれた２つの連続したセクション２１０の間にクロスエクステンション５１を補足的に含む。これらのエクステンション５１は、例えば、ブランチ３９に沿って交互に存在する。例示において、いくつかのブランチ３９があるとき、ひとつのブランチのエクステンション５１は他のブランチ３９に触らず、また、一つのブランチ３９から隣接するブランチまで交互に存在する。
【００６０】
明らかに、面３についての上記の表示は、全て（図示した）またはアレイ１のマイクロ電極１１のサブアッセンブリーを備える。
【００６１】
図１０において、刺激装置８は、例えば、第１に、アレイのマイクロ電極１１にアクセスするためにターミナル１３および面３にアクセスするためのターミナル３３に、および、第２に、例えば、コンピュータからなるマン−マシンインターフェース６を備える獲得、刺激および制御のためのシステム５に接続された負荷特異的集積回路 (an application-specific integrated circuit：ASIC)で形成される、刺激を発生するシステム４を含む。アレイ１は、刺激マイクロ電極１１のセクション２１０および面３を含むその領域１４を介して、ニューロンＮを有する生体組織Ｔに対してイン・ビトロで適用される。システム５の制御下でシステム４を介して、刺激信号は、図７において垂直上向き矢印で図示されるように、インターフェース６によって予め決められたアレイ１に送られる。アレイ１は、刺激信号に応答するかしない生体組織Ｔの活性を記録することもでき、この活性は、図７において垂直下向き矢印で図示されるように、システム４に、そして、システム５に伝達されて、インターフェース６で再生される。明らかに、本発明によるマイクロ電極のアレイ１は、この組織を形成する励起可能な細胞の電気活性を反映する、生体組織における電位の変化を測定する参照電極としても作用し得る。このアレイは、特に、機能リハビリテーション（例えば、聴覚、視覚、神経変性または心臓病）のため、または、中枢神経系もしくは他のタイプの系の調査（基礎調査）するために、イン・ビボで組織に適用することもできる。
【００６２】
細胞外刺激の集中化は、刺激電極まわりの場電位の急峻さに直接関連し；この場がより急峻である（すなわち、離れるほど急激に増える）ほど、大きな距離にて刺激するためにより高い電流が必要である。
【００６３】
したがって、刺激の集中化は刺激電極まわりの場電位の集中化になる。
図１１、１２、１３は、異なる電極構成の場電位の経過を示す。
【００６４】
図１１は、単極（曲線Ｃ１）、二極（曲線Ｃ２）および三極（曲線Ｃ３）刺激につき、電極上５０ミクロンを通る線上の電位Ｖ（絶対値で）の経過を示す。単極刺激は電流を電極と遠位接地との間を通すことからなり、二極刺激は電流を２つの隣接する電極の間を通すことからなり、そして、三極刺激は電流を電極に流し、電流の半分をいずれかの側に位置する２つの電極に戻すことからなる。図１１において、３つの灰色ディスクＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、三極刺激の横軸Ｘにそって整列された電極の０μｍ、−５０μｍおよび＋５０μｍの位置を示す。単極刺激については、中央電極Ｄ１のみを用いる。二極刺激については、左２つの電極Ｄ１およびＤ２を用いる。単極性では、電位の経過Ｃ１はあまり急峻ではなく、それゆえ、あまり集中的ではない。二極性では、曲線Ｃ２はより急峻であるが、電極の近くに電位が非常に低いゾーン（ブラインドスポットＢＳ）を有する。同様に、三極では、曲線Ｃ３がよりいっそう急峻であるが、今度は、電極の近くに２つのブラインドスポットＢＳが見られる。したがって、多極構成はより集中的であるが、場は電極まわりで均質ではなく、特に、それでも、電極の近くにある細胞が刺激されないブラインドスポットを有する。
【００６５】
本発明のひとつの具体例において、グリッド（または、平面＝充填されたグリッド、より一般的には面と呼ぶ）を用いる。それは、アレイの全ての電極まわりを通り、刺激電流の全てまたは一部の返還を保証し、電極にかかわらず刺激に用いる。この面の電位は、好ましくは、接地電気に維持されるが、必要ではない。図１２は、ｘ＝０μｍに位置する刺激マイクロ電極から横軸に沿って距離ｘの関数で、３タイプの構成についての電位Ｖの経過を示す：
―  図１１の第１の単極構成における曲線Ｃ１、
―  単一の電極があり、直径１０ミクロンの内側導電ディスクを、前記ディスクを中心として、外側の直径が２５ミクロン、半径方向の幅が３ミクロンの導電性リングが取り囲んだ、特許US-A-5411540による第２の構成における曲線Ｃ４、
―  図５の面３があり、その開口３６が２５ミクロンの直径を有し、中央電極１１がこれらの開口を中心とする、直径１０ミクロンのディスクである、本発明の第３の構成における曲線Ｃ５。
【００６６】
曲線Ｃ５で得られた電位は、刺激マイクロ電極からの距離の関数で、連続的であり、単調である。第２の構成において、リングが遠位接地と同じ電位であるとき、場電位は単極構成で発生したＣ１のものと同一であり、刺激の集中化は向上されない。曲線Ｃ４による第２の構成において、リングが、遠位接地を介していかなる電流も戻らずに、電流の完全返還を保証するとき、刺激は単極刺激より集中的であるが、ひとつの同一の伝送された電流について、電位はとても低く、それゆえ、あまり効率的ではない。曲線Ｃ５による接地グリッドでの本発明は、高度に集中化した刺激および、刺激電極の近傍に、単極で得られた振幅に非常に近い電位振幅を与える。加えて、２００ミクロンを超える距離について、接地グリッドは第２構成のリングよりもよく電位を集中化する：曲線Ｃ５の減衰は曲線Ｃ４のものよりも大きい。この解法は、したがって、第２構成と比較して、３つの利点：１）電極数を２倍にしないこと、２）電極に近い電位と同等の振幅に必要な電流が低いこと、それは、高電流で劣化しない小サイズ電極を設計することが困難であるという事実に関して重要である、３）数百ミクロン上およびその後の電位をより集中化すること、を有する。
【００６７】
本発明のもうひとつの特徴は、接地グリッド、より一般的には面３および電解物質の間のインターフェースの面導電率に関し、それは、利用する接地グリッドを形成する金属の導電率ではなく、金属／生理学的溶液または金属／組織電気化学的インターフェースの導電率であることに特定される。面導電率は、１０および１００,０００Ｈｚ、特に１００Ｈｚから１,０００Ｈｚの信号振幅であると考えられ、標準振幅は１,０００Ｈｚである。図１３は、異なる面導電率の接地グリッドについてのｘ＝０ミクロンにての刺激マイクロ電極から横軸に沿った距離ｘの関数の電位Ｖの経過を示す：４０Ｓ／ｍ２（曲線Ｃ５１）、４００Ｓ／ｍ２（曲線Ｃ５２）、４,０００Ｓ／ｍ２（曲線Ｃ５３）、４０,０００Ｓ／ｍ２（曲線Ｃ５４）、無限導電率（曲線５５）。接地グリッドの面導電率が高いほど、刺激の集中が大きい。実際には、値が１,０００Ｓ／ｍ２のものを用いることができ、それはプラチナ電極よりも高く、例えば、他の物質または、粗い、多孔質かもしくは機能化された面を有する（例えば黒色プラチナ）で得ることができる。ここで考慮されたタイプの導電率は、現実の面ではなく幾何学的表面の単位あたりの導電率である。粗いまたは多孔質インターフェースは、同じなめらかな幾何学的表面よりも大きな実（展開／開き）表面積を友好的に有する。４００Ｓ／ｍ２のオーダーの値の導電率は、例えば、粗造白色プラチナの導電性部分で得られる。４０,０００Ｓ／ｍ２のオーダーの値の導電率は、例えば、黒色処理プラチナの導電性部分で得られる。
【００６８】
引用文献のリスト
[1]            Microelectrode arrays for stimulation of neural slice preparations: D.A. Borkholder, J. Bao, N.I. Maluf, E.R. Perl, G.T.A. Kovacs, Journal of Neuroscience Methods 77 (1997)61-66.
[2]            Fabrication of microelectrode arrays for neural measurements from retinal tissue: W. Cunningham, K. Mathieson, F.A. McEwan, A. Blue, R. McGeachy, J.A. McLeod, C. Morris-Ellis, V. O'Shea, K.M. Smith, A. Litke, M. Rahman, Journal of Physics D: Applied Physics 34 (2001)2804-2809.
[3)            Sheet conductor model of brain slices for stimulation and recording with planar electronic contacts: P. Fromherz, Eur Biophys J (2002) 31:228-231.
[4]            Effective parameters for stimulation of dissociated cultures using multi-electrode arrays: Daniel A. Wagenaar, Jerome Pine, Steve M. Potter, Journal of Neuroscience Methods 138 (2004) 27-37.
[5]            Multi-electrode stimulation and recording in the isolated retina: Andrew E. Grumet, John L. Wyatt, Joseph F. Rizzo, Journal of Neuroscience Methods 101 (2000) 31-42.
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[7]            Patent US-A-5411540.
[8]            Patent application WO2005/087309.
【図１】
0005444235.tif 000002
【図２】
0005444235.tif 000003
【図３】
0005444235.tif 000004
【図４】
0005444235.tif 000005
【図５】
0005444235.tif 000006
【図６】
0005444235.tif 000007
【図７】
0005444235.tif 000008
【図８】
0005444235.tif 000009
【図９】
0005444235.tif 000010
【図１０】
0005444235.tif 000011
【図１１】
0005444235.tif 000012
【図１２】
0005444235.tif 000013
【図１３】
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