(57)【要約】  神経活動を記録又は刺激する注入素子(10)と周辺組織(12)（たとえば脳組織、神経線維など）の間の電気接触を改善する装置及び方法。典型的実施例では、ナノメートルサイズのトポグラフィ構造(36,136)（たとえばナノメートルスケールの柱）が、注入素子(10)の対応する電極(30,32)との電気接触のために処理される。ナノメートルスケールのトポグラフィ構造(36,136)は、注入素子(10)と周辺組織(12)との間のギャップを架橋することで、注入素子(10)と周辺組織(12)との間の神経-電極結合を改善する。本開示はまた、単一又は複数の細胞(20)を検知及び/又は刺激するのに、単一又は複数の細胞(20)への容量性結合を用いることが可能な如何なる用途にも拡張されて良い。
2009501600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と生体組織の標的生体細胞との間での電気的結合を増大させる装置であって：
支持構造；及び
該支持構造内又は上に備えられた電極のアレイ；
を有し、
複数の柱構造が対応する電極から延在し、
前記柱構造は、ナノメートルスケールの大きさを有することで、前記細胞を前記柱構造の終端部から隔離するグリコカリックスクッションを克服し、前記電極と前記標的生体細胞との間での電気的結合を増大させる、
装置。
【請求項２】
前記電極のアレイが、検知電極及び刺激電極のうちの少なくとも1を有する、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記生体細胞と接触する前記柱構造の密度が、電極あたりにつき10未満である、請求項1に記載の装置。
【請求項４】
各柱構造の直径が約50nm未満である、請求項1に記載の装置。
【請求項５】
前記生体細胞の細胞膜に隣接する終端部を有する各柱構造の長さが、約50nmから約100nmである、請求項1に記載の装置。
【請求項６】
細胞膜を突き抜け、かつ前記生体細胞の細胞内空間に入り込む終端部を有する各柱構造の長さが、約100nmから300nmである、請求項1に記載の装置。
【請求項７】
各柱構造が、金属又は他の導電性材料で作られる、請求項1に記載の装置。
【請求項８】
各柱構造が、誘電体によって被覆された導電性コアを有する、請求項1に記載の装置。
【請求項９】
前記支持構造が3-Dトポグラフィ構造を有し、
各トポグラフィ構造は、約1nmから約20μmの大きさを有する、
請求項1に記載の装置。
【請求項１０】
前記3-Dトポグラフィ構造が、円、楕円、正方形、長方形、三角形、及び四角形のうちの1の形状を有し、
前記構造は、前記電極素子周辺に被包組織層を形成されるのを防止する、
請求項9に記載の装置。
【請求項１１】
前記3-Dトポグラフィ構造が、標準的な半導体処理方法、適切なポリマーのエンボス加工、及び適切なポリマーの注入成形のうちの1を用いて平坦基板を処理することよって形成される、請求項9に記載の装置。
【請求項１２】
前記細胞が神経細胞である、請求項1に記載の装置。
【請求項１３】
前記電極の少なくとも一部が、活動電位及び活動電位の刺激発生の記録、又は前記神経細胞の軸索に沿った活動電位の伝搬の素子のうちの少なくとも1を行うための電気的結合を目的として用いられる、請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
前記電極の少なくとも一部が、活性化、抑制、及び活性化と抑制の併用のうちの少なくとも1のために前記生体組織に刺激を供する刺激電極である、請求項1に記載の装置。
【請求項１５】
電極と生体組織の標的生体細胞との間での電気的結合を増大させる方法であって：
前記電極のアレイを支持構造内又は上に備える工程；及び
複数の柱構造が対応する電極から延在し、
前記柱構造をナノメートルスケールの大きさにすることで、前記細胞を前記柱構造の終端部から隔離するグリコカリックスクッションを克服し、前記電極と前記標的生体細胞との間での電気的結合を増大させる工程；
を有する方法。
【請求項１６】
前記生体細胞と接触する前記柱構造の密度が、電極あたりにつき10未満である、請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
各柱構造の直径を約50nm未満にする工程をさらに有する、請求項15に記載の方法。
【請求項１８】
前記生体細胞の細胞膜に隣接する終端部を有する各柱構造の長さを、約50nmから約100nmにする工程をさらに有する、請求項15に記載の方法。
【請求項１９】
細胞膜を突き抜け、かつ前記生体細胞の細胞内空間に入り込む終端部を有する各柱構造の長さを、約100nmから300nmにする工程をさらに有する、請求項15に記載の方法。
【請求項２０】
金属又は他の導電性材料及び誘電体によって被覆された導電性コアのうちの1で各柱構造を製造する工程をさらに有する、請求項15に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は概して、生体組織の電気的刺激及び/又は検出用の注入素子からのトポグラフィ構造に関する。特に本開示は、神経-電極結合を改善する注入可能な医療用素子の電極からのナノメートルスケールトポグラフィ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
電極は、神経及び筋肉組織を刺激するために、人体に長期にわたって注入される。たとえばそのような長期にわたって注入される電極は、パーキンソン病における深部脳刺激療法及びしびれを起こしている人における機能的電気刺激のために、ペースメーカー内で用いられる。似たような長期にわたって注入される電極はまた、活動電位又は電場電位を記録することによって、（たとえば人工気管及び深部脳刺激療法(DBS)用の閉ループ系の制御についての）神経又は筋肉活動を記録しても良い。
【０００３】
電極注入過程中に生じる外傷のため、大抵の場合には電極を取り囲む組織が鋭い炎症反応を起こす。約数日又は数週間後に鋭い炎症が鎮まった後、免疫系は、異物（たとえば注入電極）周辺に被包組織層を形成することによって反応する。被包組織層は、電極と周囲の神経組織との直接接触を妨害する。直接接触できないことは、記録電極にとって特に関係がある。なぜなら神経組織からの信号は非常に弱く、かつ被包層によって、数週間から数ヶ月後に、電極と神経組織との間の接触に不具合が生じる恐れがあるからである。刺激電極は、そのような影響は受けない。なぜなら刺激の振幅は、結合効率の減少を補償するように増加させることができるからである。しかし刺激振幅を増加させる結果、エネルギー消費の増大及び注入バッテリーの寿命の減少に起因するコスト上昇が起こる。バッテリーの寿命が減少することはまた、バッテリーの交換がより頻繁になるので、そのバッテリーを交換するのにより多くの外科手術が必要になることを意味する。さらに刺激信号の振幅を増大させることで、刺激に係る空間分解能が減少する恐れがある（より大きな体積が指摘されれば、組織の不均一性による刺激の制御能力が落ちる）。このことは、たとえば視力回復のための網膜移植、又はしびれを生じている人の四肢の運動の回復のための機能的電気刺激(FES)にとって特に重要である。良好な空間分解能はまた、たとえばDBSのような用途における副作用を減少させる。しかも、将来注入可能な医療用素子の多くは、閉ループ系内で刺激を制御するフィードバックを与えるため、記録能力を有することが予想される。よって被包組織層の形成を減少、又は完全に抑制することが必要となる。
【０００４】
たとえ被包組織層の形成が完全に防止されたとしても、電極及び対象物である細胞は依然として、互いに直接接触するのが妨げられたままである。細胞膜（グリコカリックス、たとえばラミニンとフィブロネクチンからなる）から飛び出た長いグリコプロテイン鎖は、細胞を取り囲むクッションとして機能し、かつ細胞と電極表面との間に裂け目を形成する。細胞培養物の蛍光干渉コントラスト顕微鏡(FLIC)測定は、神経とSiO2表面（たとえば電極基板）との間に50-100nmのギャップが存在することを明らかにした。そのギャップは、基板表面上のコーティング（たとえばpoly-L-リジン、ラミニン）に依存する。このギャップは、人工脂質小胞（たとえばグリコカリックスのない純粋脂質2重層）でのみほとんど0nmにまで減少させることが可能だが、現実の細胞では不可能である。
【０００５】
図1は、キャパシタンスCEによって表される容量性電極との非侵襲細胞外結合の等価回路（点接触モデル）を図示している。図1に図示されている神経細胞は、ホジキシー-ハクスレー(Hodgkin-Huxley)膜回路モデルによって表される。その細胞膜は、その細胞内部を、細胞外の液体から分離し、かつキャパシタとして機能する。受動性かつ電圧ゲートのイオンチャネルは細胞膜に組み込まれる。それにより、（特定）イオンが通り抜けることが可能となる。活性イオンが細胞膜を通り抜けて移動するので（イオンポンプ）、細胞内部でのイオン濃度は、細胞外液体中でのイオン濃度とは異なる。イオン濃度の差異によって生じるネルンスト電位は、各種イオンのバッテリーによって表される（たとえばイオンはNa、Kで、かつホジキシー-ハクスレーモデルでは漏れが関係する）。神経細胞を刺激する（発火閾値より高い脱分極刺激）ことで、（チャネル動力学によって制御される）電圧ゲートイオンチャネルが過渡的に開き、かつ活動電位と呼ばれる、膜の電位（約100mV）の短時間（1から数ミリ秒）増加する。
【０００６】
金属電極については、キャパシタンスCEは、キャパシタンスと抵抗の並列回路によって置き換えられる。VMは細胞間の電圧で、gJは細胞と電極表面との間の裂け目の領域での導電率である。VJは、電極と細胞との間の裂け目（接合部）内での電圧で、かつgJによって接地された浴(grounded  bath)と接続する。神経細胞は、対応する電源と直列である抵抗とホジキシー-ハクスレーモデルによるキャパシタンスとの並列回路によって表される。神経細胞は、これらの回路のうちの2によって表される。1つは固着膜で、もう1つは自由膜である。
【０００７】
細胞外活動を記録するため、電極はVJを測定する。VJは、（活動電位の発火中に神経細胞から解放される）コンダクタンスgJに従ったイオン電流によって生じる電圧降下の結果生じる。この電圧降下は、gJの減少と共に増大する。つまり電極での信号が大きくなることを意味する。神経活動を刺激するため、たとえば電圧パルスは、VJを変調させるキャパシタCEに（又は金属電極については一定電流が）印加される。繰り返しになるが、gJは抵抗の逆数1/RJであるため、結合効率は、gJの値が小さくなると共に増大する。コンダクタンスgJは、特定の電解質の抵抗ρJ及び裂け目の厚さdによって決定される。ここでgJ=d/ρJである。
【０００８】
上述の関係によると、刺激及び記録の結合効率は、dを減少させる（たとえば裂け目の幅を減少させる）、又は特定の電解質の抵抗ρJを増大させることによって増大できる。神経細胞と容量性電極との間の界面についてのより詳細な説明は、非特許文献1で見つけることができる。
【非特許文献１】ワーサー(R.Waser)編、“ナノエレクトロニクスと情報技術(Nanoelectronics  and  Information  Technology)、ヴィーレイ-VCH(Wiley-VCH)、2003年、pp.781-810
【非特許文献２】シャエツトホイヤー(R.Schaetzthauer)とフロムヘルツ(P.Fromherz)著、欧州神経細胞科学誌(European  Journal  of  Neuroscience)、第10巻、1998年、pp.1956-1962
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
よって、細胞と電極表面との間の裂け目の導電率を局所的に減少させることにより、神経細胞と電極との間の電気的結合を増大させる装置及び方法が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示は、電極と生体組織の標的生体細胞との間の電気的結合を増大させる装置を供する。一の実施例では、当該装置は、支持構造、その支持構造内又は上に備えられている電極のアレイ、及び対応する電極から延びる複数の柱構造を有する。その柱は、細胞をその柱の終端部から隔離するグリコカリックスクッションを克服するために、ナノメートルスケールの大きさをとる。
【００１１】
本開示はまた、電極と生体組織の標的生体細胞との間の電気的結合を増大させる方法をも供する。一の実施例では、当該方法は、電極を支持構造内又は上に備える工程、及び複数の柱構造をナノメートルスケールの大きさにすることで対応する電極から延びるようにする工程を有する。ナノメートルスケールの柱構造は、各柱を画定する終端部から細胞を隔離するグリコカリックスクッションを克服する。よって電極と標的生体細胞との間での電気的結合が増大する。
【００１２】
開示された装置及び方法に係るさらに他の特徴、機能、及び利点は、以降の詳細な説明を、特に添付された図と共に参照することで明らかになる。
【００１３】
当業者による開示された装置及び方法の製造及び利用を促進するため、添付の図が参照される。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書で説明されているように、本開示の装置及び方法は、神経細胞と電極表面との間の裂け目を局所的に減少させることにより、神経細胞-電極の結合効率を有利に増大させる。神経細胞と電極表面との間の裂け目は、電極表面から飛び出した柱状構造によって減少することで、たとえば注入可能な神経細胞を刺激する医療用素子内での神経組織の界面形成が可能となり、かつ促進される。本開示は、単一又は複数の細胞を検知又は刺激するのに、単一又は複数の細胞との電気的結合が望ましい用途の如何なるものにも拡張されて良い。より詳細には、本開示は、非常に小さな表面積を有する柱（たとえば直径の短い柱）を用いることで、その柱と細胞膜との直接接触を妨げる、グリコカリックス分子の終端部又は上部への付着が防止される。それに加えて本開示は、全体の密度が小さな（たとえば神経細胞と電極との接触面積の真下で10本未満）柱の利用を示唆している。さもなければグリコカリックスは、柱の活動の障害となるエントロピー効果により、その柱上部にクッションを形成する恐れがある。
【００１５】
そのような方法を用いることにより、空間分解能、選択性、信号対雑音比、及び電力消費の顕著な改善が実現可能となる。また本開示の装置が必要とする電子機器の数は少なく、かつ小さくて安価な電子機器で良い。さらに本開示の装置は主流のIC製造技術に依拠している。よって本開示の装置は費用対効果の良いものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図2を参照すると、生体組織12内に注入された電極素子10が図示されている。図3は、図2中の円14の拡大図である。図3は、長いグリコプロテイン鎖（グリコカリックス）22を有する、組織12の神経細胞20を図示している。細胞膜24から飛び出しているグリコカリックス22は、細胞20を取り囲むクッションとして機能することで、細胞20と素子10の電極表面28との間に裂け目を生成する。被包層の存在しない組織12に挿入された注入素子10が図示されている。その一方で、神経細胞20は、裂け目26を生成する複数のグリコプロテイン鎖22によって画定されるグリコカリックスクッションによって、注入表面から隔離されている。図2及び図3は両方とも、素子10を、細胞膜24との電気的結合をするための電極（図示されていない）を有する注入平坦基板16として図示している。しかしグリコカリックス22によって生成されるギャップすなわち裂け目26は、細胞膜24と電極表面28との実際の接触を妨害する。その結果、素子10の電極によって生成され、又は受け取られる如何なる信号の振幅も小さくなってしまう。
【００１７】
図4は、内部に電極30及び32が埋め込まれた基板16を図示している。電極30は、電極30と電気的かつ機械的に結合した一端を有する、単一のナノメートルスケールの柱構造36を有する。その一方で、反対側終端部は、隣接して固定された状態で、細胞膜24と電気的に結合する。電極32は、ナノメートルスケールの柱構造を複数有する。柱の各々は、電極32と機械的かつ電気的に結合する一端を有する。その一方で反対側端部は、隣接して固定された状態で、細胞膜24と電気的に結合する。各ナノメートルスケールの柱構造は、細胞膜24と電極表面28との間に存在するグリコカリックス22によって生成されるギャップを閉じるのに十分な程度の長さである。よって細胞膜24と電極表面28との間の神経細胞-電極結合が改善される。
【００１８】
典型的実施例では、各柱構造の直径は約50nm未満である。下限は、構造36の機械的安定性によって定義される。図4に図示されている各柱構造の高さは、約50nmから約100nmである。ここで柱構造36は、細胞膜24と隣接している。
【００１９】
図5は、内部に1対の電極が埋め込まれた基板16を図示している。各電極30は、電極30と電気的かつ機械的に結合した一端を有する、単一のナノメートルスケールの柱構造36を有する。その一方で、反対側終端部は、神経細胞20に入り込んでいる。図5は、第2配置を図示している。第2配置では、各柱構造の曝露された終端部は、細胞膜に入り込み、かつ細胞20を画定する細胞内空間に入り込むようにして延びる。図5に図示されている各柱構造の高さは、約100nmから約300nmである。このようにして、図4の構造36は、細胞20との侵襲的接触を供し、その一方で、図5の構造36は、細胞20との非侵襲的接触を供する。しかし図5の細胞20の細胞膜24は、動かなければ、裂けることはなく、構造36の表面に十分に接合できる。それにより、非常に安定した配置が供される。
【００２０】
図4及び5に図示された2の典型的実施例では、柱構造の両配置に係るアスペクト比は2よりも大きい。換言すれば、長さ又は高さと直径との比は2よりも大きい。
【００２１】
柱構造36は、金属又は他の導電性材料によって作られて良い。他の実施例では、柱構造は、容量性電極同様に、誘電体によって被覆される導電性コアを有する。
【００２２】
柱構造36は、個別又は小さな群をなすように電極と接続して良い。如何なる場合でも、全体として小さな密度を維持し、かつグリコカリックスが、（図6に図示されているような）柱構造36の高密度アレイ上にクッションを形成するのを防止するため、1電極あたりの柱構造の数は少なくなければならない（たとえば10未満）。たとえば電極30及び32は、図4又は5に図示されているような金属パッド、又はトランジスタとして実装されて良い。それにより柱構造それ自体は、電極又は電極の主部となる。
【００２３】
さらに柱構造36は、細胞膜24へ入り込むことができる程度の堅さである一方で、たとえば柔軟性ポリマーで形成される柱構造36又は複数の柱として用いられる単一ポリマー鎖は細胞膜へそのように入り込まない、ことに留意すべきである。それに加えて、本開示の構造36は、明確な位置に明確な‘濃度’で堆積されて良い。それにより、単一柱構造36が電子回路と接続可能となる。上述したように、柱構造は、金属/導体構造、又は容量性結合用の誘電体表面を有する導電性構造として形成されて良い（後者は電極-電解質界面にわたるファラデー電流を防止する）。
【００２４】
本開示によって記載される高アスペクト比の柱構造は、標準的処理方法によって平坦基板16上で処理されて良い。標準的処理方法には、マスク及び異方性エッチングが含まれる。異方性エッチングとはたとえば、別な等方性エッチングに続いて行われることで、構造36をさらに薄くするものであって良い。あるいはその代わりに、柱構造はまた、（たとえばナノワイヤの成長と同様な）選択成長法によって作製されても良い。
【００２５】
図6は、複数の柱構造36を図示している。各柱構造は適切なアスペクト比を有するが、かなり高密度のアレイ中に備えられている。この状況では、グリコカリックス22は、細胞膜24と基板16の表面28との間にクッションを形成する。それによって、基板表面と細胞膜との接触が妨げられる。よってクッション40は、基板表面と細胞膜との実効的な接触を禁止する結果、柱構造36と細胞膜24との間で動作可能な状態で接続する電極間の如何なる信号の信号対雑音比も小さくなってしまう。
【００２６】
図7は、1対の柱構造36を図示する。各柱構造は低アスペクト比を有する、又は複数の構造は、かなり長い直径を有する。この状況では、グリコカリックス22は、図6の高密度アレイのように、細胞膜24と基板16の表面28との間にクッションを形成する。それによって、基板表面と細胞膜との接触が妨げられる。よってクッション40は、基板表面と細胞膜との実効的な接触を禁止する結果、柱構造36と細胞膜24との間で動作可能な状態で接続する電極間の如何なる信号の信号対雑音比も小さくなってしまう。
【００２７】
図8-10は、非平坦基板116の特徴を画定する表面128から延びているμmスケールの正方形の柱150のアレイを有する基板116を図示している。このようにして、柱150を有する基板116であって、柱が基板から延びている基板は、3次元(3-D)トポグラフィ構造の表面を画定する。その表面は、図10を参照すれば最も良く分かるように、不規則なパターンで設けられた電極130を有する。図8-10は、基板116の表面128上に存在する、柱150上部位置する電極130及びある程度の距離をおいて隣接する柱150を図示している。図9を参照すれば最も良く分かるように、柱構造136は、細胞膜24と電気的に結合するため、正方形柱150上部及び/又は表面128に設けられている。図9は、図8の円152の拡大図である。図9に図示されているように、柱構造136の1は、細胞膜24に入り込み、かつ細胞20の内部へ延びる。その一方で他の構造136は、細胞へ入り込まずに細胞膜と隣接する。
【００２８】
柱150は正方形柱として記載されているが、本開示は、それに限定されるわけではなく、たとえば円形及び楕円柱を含む他の形状も考えられることに留意して欲しい。さらに電極130を規則的に配置することも考えられるので、図示されている不規則な配置に限定されない。原則として、電極130はまた、表面128から延びるトポグラフィ構造の柱150を画定する垂直壁に備えられても良い。3-Dトポグラフィ構造を有する表面は、標準的処理方法（たとえばマスク及びエッチング）によって平坦基板を処理することで形成されて良い。あるいはその代わりに、3-Dトポグラフィ構造を有する表面は、安定ポリマーのエンボス加工又は注入成形によって作製されても良い。
【００２９】
本開示の基本的な焦点は、被包組織層の形成を抑制することではなく、非常に低密度でかつ高アスペクト比の導電性構造を用いて、細胞と電極表面とを隔離するグリコカリックスクッションを克服することによってその細胞と直接接触させることである。しかしこれは、被包層が存在しない場合にのみ可能であることは当業者にはすぐ分かる。生体内実験（たとえば細胞培養物）については、たとえば図8-10に図示されたトポグラフィモフォロジーは、細胞のモフォロジー及び成長に影響を及ぼし、それにより通常は注入電極の周囲に形成される被包層の形成が緩和又は完全に防止できる、ことが示されている。たとえば図8-10に開示されているようなμmスケールでの電極表面の3Dパターニングは、瘢痕組織及びグリア細胞の成長を抑制し、かつ神経細胞の成長を促進するのに適していると考えられる。
【００３０】
本開示に記載されたトポグラフィ構造は、特に高空間分解能及び低消費電力が望ましい素子に用いられる全ての注入可能な医療用電極に適用されうる。そのような電極とは、網膜移植及び深部脳刺(DBS)用電極、並びに、脳活動を記録（たとえば運動皮質及び人工器官の制御）及び刺激（体性感覚皮質又はカメラからの感覚の入力の分配）するための電極である。
【００３１】
本発明の一の態様では、病気を治療するための、可変の刺激強度を供する神経変調システムが開示されている。刺激は、活性化、抑制、又は活性化と抑制との併用のうちの少なくとも1で良い。また病気は、神経学上及び精神医学上の病気のうちの少なくとも1である。たとえば神経学上の病気には、パーキンソン病、ハンチントン病、パーキンソン症候群、固縮、不随意運動、舞踏アテトーゼ運動、ジストニア、無動症、寡動、異常運動、他の運動障害、てんかん、又は発作性疾患が含まれて良い。精神医学上の病気にはたとえば、鬱、双極性障害、他の情動障害、不安、恐怖症、統合失調症、多重人格障害が含まれて良い。情動障害にはまた、薬物乱用、多動性障害、攻撃性の制御の欠如、又は性的行為の制御の欠如が含まれて良い。
【００３２】
本発明の他の態様では、神経学上の制御システムが開示されている。その神経学上の制御システムは、少なくとも1の神経系の構成要素を変調する。またその神経学上の制御システムは、少なくとも1の刺激電極、少なくとも1のセンサ、並びに刺激及び記録ユニットを有する。各刺激電極は、神経変調信号を少なくとも1の神経系の構成要素に供給するように構築及び配備されている。各センサは、少なくとも1のパラメータを検知するように構築及び配備されている。少なくとも1のパラメータは、以下に限定されるわけではないが、神経学上の値及び神経信号を含む。また少なくとも1のパラメータは、病気の状態、病徴の程度、及び治療に対する反応のうちの少なくとも1を示唆する。刺激及び記録ユニットは、神経変調信号を生成するように構築及び配備されている。神経変調信号は、過去に供給された神経変調信号に応答して、その少なくとも1のセンサによって検知される神経応答に基づく。
【００３３】
開示された装置及び方法は、患者に与えられた処置に用いられるエネルギー効率を最適化する。当該装置及び方法は、副作用を最小にするだけではなく、刺激強度を満足行くレベルにまで最小化することで、不要な過剰処置及び浪費エネルギーを供給する新たなエネルギーを供することなく病徴を制御するのに必要な程度の処置レベルを供する。本刺激システムでは、一定レベルの刺激が広い領域にわたって供給される。その結果、病気の状態及び病徴が変動するときに2の望ましくないシナリオが生じる恐れがある。それは、(1)過小な療法、つまり振動のレベルが望ましいレベルを超えること、又は(2)過剰な療法すなわち過度の刺激で、これは実際に必要な程度よりも大きな電気エネルギーが供給されることである。過剰療法の場合では、バッテリー寿命が不必要なまでに減少する。刺激信号として組織に供給されるエネルギーは、注入電極によって消費されるエネルギーのかなりの部分を表す。このエネルギーを最小にすることで、バッテリー寿命はかなり延びる。その結果として、使用済みバッテリーを置換する再操作間の期間も延びることになる。さらに結合効率を最適化することで、副作用を減少させることができる。その理由は、刺激は十分に標的組織に局在化されるので、他の組織は影響を受けないままだからである。それに加えて、本開示の装置は、従来技術に費用対効果の良い解決策を供している主流のIC製造技術に依拠している。
【００３４】
開示された装置及び方法は、細胞外の記録装置による神経活動の記録に係る信号対雑音比を増大させる。このことは、活動電位の検出に複雑な信号処理を要しないことを意味する。このことには、電子機器の数が少ないこと、消費電力が小さいこと、素子が小型かつ安価であることが含まれる。さらに隣接する神経細胞からの活動は、高空間分解能での記録が可能であるために排除可能である。
【００３５】
活動電位のトリガとなる振幅が減少する結果、電力消費を減少させ、かつ注入バッテリーの寿命を増大させることが可能となる。さらに振幅が減少することで、すぐ近くの電極からの刺激は全く重ならないため、高空間分解能での刺激が可能となる。
【００３６】
たとえ本開示の方法及び装置が、その典型的実施例を参照して記載されているとしても、本開示はそのような典型的実施例に限定されるわけではない。むしろ本明細書で開示された装置では、本開示の技術的思想又は技術的範囲から逸脱することなく、様々な修正型、改良型、及び/又は変化型が可能である。従って本開示は、「特許請求の範囲」の請求項の範囲内で、そのような修正型、改良型、及び/又は変化型を実施する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】神経細胞と容量性電極との近接した電気的結合を表す点接触モデルの概略的回路図である。神経細胞は、ホジキシー-ハクスレーモデルによって表されている。
【図２】組織内での従来技術に係る注入電極素子の断面図である。
【図３】組織の神経細胞の細胞膜と注入電極素子との間のギャップを示す図2の回路の拡大図である。
【図４】本開示の典型的実施例に従って、注入電極素子の基板上に設けられた個々の電極から延びている柱であって、細胞膜と電気的に接触する柱を表す注入電極素子の断面図である。
【図５】本開示の典型的実施例に従って、注入電極素子の基板上に設けられた電極から延びている柱であって、細胞膜を貫通するように延びる柱を表す注入電極素子の断面図である。
【図６】埋め込み基板の上部層の特徴を画定するnmスケールの柱構造の高密度アレイ及び神経細胞から延びるグリコカリックスクッションの断面図である。この断面図は、ギャップ、及びアレイが高密度である結果として細胞膜との接触が防止されている様子を図示している。
【図７】図6に図示されているよりも低密度でかつ大きな柱構造の断面図である。この断面図は、細胞膜から延びるグリコカリックスクッションを有する細胞膜との接触が防止されている様子を図示している。
【図８】本開示の典型的実施例に従った、電極基板の上部層を画定するμmスケールのトポグラフィ構造と神経細胞から延びるグリコカリックスクッションとの結合の断面図である。この断面図は、対応する電極から延びる複数のnmスケールの柱構造が、神経細胞と隣接する、又は神経細胞の細胞膜に入り込んでいる様子を図示している。
【図９】図8に示された円の拡大図である。
【図１０】本開示の典型的実施例に従った、図8及び図9の埋め込み基板の上面図である。この上面図は、不規則な電極配置を有するμmスケールのトポグラフィ構造のアレイを図示している。
【図１】
2009501600.tif 000003
【図２】
2009501600.tif 000004
【図３】
2009501600.tif 000005
【図４】
2009501600.tif 000006
【図５】
2009501600.tif 000007
【図６】
2009501600.tif 000008
【図７】
2009501600.tif 000009
【図８】
2009501600.tif 000010
【図９】
2009501600.tif 000011
【図１０】
2009501600.tif 000012
【国際調査報告】
2009501600.tif 000013
2009501600.tif 000014
2009501600.tif 000015
2009501600.tif 000016