(57)【要約】    【課題】  細胞外電位に応じて神経細胞への高速フィードバック刺激を行い、神経細胞の活動状況を調整できる神経回路網電気活動調整装置を提供すること。    【解決手段】  複数の電極を備えたプローブ（１）と、各々の電極によって測定される測定信号中のスパイクを検出して所定の信号を出力する検出ユニット（３１〜３３）と、検出ユニット（３１〜３３）からの出力信号に対して論理演算を行う論理演算部（４）と、論理演算部（４）の出力信号に応じて所定の電気信号を出力する刺激信号発生部（５、６）と、電気信号を電極から出力させる複数の切換部とを備え、検出ユニット（３１〜３３）が、測定信号中にスパイクを検出した時から、第１の時間幅のパルス信号を出力し、パルス信号の出力を終了した時から第２の時間の間、再び測定信号中にスパイクを検出した場合でも、パルス信号を出力しないことを特徴とする。【選択図】    図１
2005269987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
神経回路網に電気刺激を与えて該神経回路網の活動を調整する神経回路網電気活動調整装置であって、
複数の電極を備えたプローブと、
各々の前記電極によって測定された測定信号中のスパイクを検出して所定の信号を出力する複数の検出ユニットと、
複数の前記検出ユニットからの出力信号に対して論理演算を行う論理演算部と、
該論理演算部の出力信号に応じて所定の電気信号を出力する刺激信号発生部と、
前記電気信号を、前記電極から出力させる複数の切換部とを備え、
前記検出ユニットが、
前記測定信号中にスパイクを検出した時から、第１の時間幅のパルス信号を出力し、
前記パルス信号の出力を終了した時から第２の時間の間、再び前記測定信号中にスパイクを検出した場合でも、前記パルス信号を出力しないことを特徴とする神経回路網電気活動調整装置。
【請求項２】
神経回路網に電気刺激を与えて該神経回路網の活動を調整する神経回路網電気活動調整装置であって、
複数の第１の電極及び第２の電極を備えたプローブと、
各々の前記第１の電極によって測定された測定信号中のスパイクを検出して所定の信号を出力する複数の検出ユニットと、
複数の前記検出ユニットからの出力信号に対して論理演算を行う論理演算部と、
該論理演算部の出力信号に応じて所定の電気信号を前記第２の電極から出力する刺激信号発生部とを備え、
前記検出ユニットが、
前記測定信号中にスパイクを検出した時から、第１の時間幅のパルス信号を出力し、
前記パルス信号の出力を終了した時から第２の時間の間、再び前記測定信号中にスパイクを検出した場合でも、前記パルス信号を出力しないことを特徴とする神経回路網電気活動調整装置。
【請求項３】
前記論理演算部が、複数の論理ユニットを備え、
各々の前記論理ユニットが、
第１の制御信号に応じて入力信号を反転して出力する複数のインバータと、
複数の前記インバータの出力信号に対して、第２の制御信号に応じて所定の論理演算を行う第１の演算部とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の神経回路網電気活動調整装置。
【請求項４】
前記刺激信号発生部が、
所定のディジタルの時系列データを記録し、前記論理演算部からの出力信号に応じて、前記時系列データを読み出して出力する刺激パターン生成部と、
該刺激パターン生成部の出力信号をアナログ信号に変換して出力する刺激信号生成部とを備えていることを特徴とする請求項１〜３の何れかの項に記載の神経回路網電気活動調整装置。
【請求項５】
前記第１の時間が約１ミリ秒であり、
前記第２の時間が約２ミリ秒であることを特徴とする請求項１〜４の何れかの項に記載の神経回路網電気活動調整装置。
【請求項６】
前記検出ユニットが、
入力される前記測定信号が所定の閾値よりも大きくなった時に第３の時間幅のハイレベ
ルのパルス信号を出力するスパイク検出部と、
該スパイク検出部から出力されるパルス信号の立上り時刻から、第４の時間だけ遅延した時刻において、出力信号をハイレベルからローレベルに変化させ、その後、前記第２の時間出力信号をローレベルに維持する休止パルス生成部と、
前記スパイク検出部の出力信号及び前記休止パルス生成部の出力信号に対して、論理積演算を行う第２の演算部とを備えていることを特徴とする請求項１〜５の何れかの項に記載の神経回路網電気活動調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、神経細胞に対して外部から電気刺激を与えて、神経回路網の活動を調整する神経回路網電気活動調整装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
神経細胞は、刺激に応じて電気信号を発生し、発生した電気信号を隣接する神経細胞との間で相互に伝達することによって、シナプス間の結合強度が変化して神経回路網の出力が調整される。また、このような調整によって神経回路網の物理的接続が変更される。従って、神経細胞群の培養時に、所定の電気刺激を与えて、神経回路網を形成する研究が行われている。そのためには、細胞外電位を測定する技術、測定した電位を解析する技術、及び解析結果に応じて細胞を外部から刺激する技術が必要である。
【０００３】
細胞外電位を多点で計測するシステムは公知である。例えば、下記特許文献１、２には、絶縁基板上に複数の微小電極が配置され、微小電極を含む領域を囲む壁部が設けられた細胞電位測定電極を用いて、壁部で囲まれた領域内で細胞を培養しながら、細胞外電位を測定、又は細胞を電気刺激する手段が開示されている。
【０００４】
一方、測定した電位を解析し、細胞を外部から刺激する技術に関しては、基礎的なものが知られている。例えば、記録した細胞外電位をＡ／Ｄ変換し、コンピュータのハードディスクなどの記録手段に記録したディジタルデータ、或いは、バッファメモリに蓄積したディジタルデータについて、所定時間内のデータを平均した結果に基づいて、細胞に対して所定の電気刺激を与える一連の過程や、これをコンピュータプログラムを用いて実行するシステムが知らている。
【０００５】
また、下記特許文献３には、心臓や神経組織などの生体内で興奮性の電気刺激が常在する組織を、電気的刺激を与えながら培養する方法が開示されている。与える電気的刺激パターンには、生体の発生する電気信号を採取したもの、若しくは採取データを加工したものを使用する。特に、採取した電気信号の波高を選別し、選別閾値を越えたピークをトリガーとして矩形波または傾斜波状の磁束密度変化パルスを発生させ、刺激対象に磁場変化による渦電流を発生させる方法が開示されている。
【特許文献１】特開平８−６２２０９号公報
【特許文献２】特開平１１−１８７８６５号公報
【特許文献３】特開２００３−２７４９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したように、神経細胞群は、刺激に応じて細胞間のシナプス結合の強度が変化して神経回路網の結合が調整される。従って、培養時に加える電気刺激を、回路網の形成状況に応じて変化させることが望ましい。しかし、上記の特許文献３に開示された方法では、生体から採取した電気信号そのもの、またはそれを加工して生成される信号を刺激信号として記録装置に一旦記録し、これを使用することによって、生体信号に類似した刺激を与えることはできるが、刺激を与えた結果に応じて電気刺激を変化させることはできない。また、測定した複数の細胞外電位に応じて電気刺激を変化させることもできない。
【０００７】
一方、コンピュータプログラムで生成した刺激を与える場合、神経細胞の活動はサブミリ秒（ｍｓｅｃ以下）の速さを持つのに対して、コンピュータプログラムによる計算処理には、一般に数十ミリ秒の時間がかかる。活動電位を発して変更された神経細胞の内部状
態は、数十ミリ秒の後には回復してしまうので、測定した活動電位をコンピュータプログラムによって処理し、その処理結果に応じた刺激を行っても、神経細胞の活動状態と相互作用できず、有効なフィードバック刺激にはならない問題がある。
【０００８】
また、高速処理のためにコンピュータプログラムの処理をハードウェアで実現する場合、コンピュータプログラムのように処理内容を任意に組み替えることが出来ず、柔軟性に欠けた、コストが高いシステムになり、研究を効率的に進めることができない。
【０００９】
本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、測定した細胞外電位に応じて神経細胞への高速フィードバック刺激を実現することができ、柔軟に神経細胞の活動状況を調整することができる神経回路網電気活動調整装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【００１１】
即ち、本発明に係る神経回路網電気活動調整装置（１）は、神経回路網に電気刺激を与えて該神経回路網の活動を調整する神経回路網電気活動調整装置であって、複数の電極を備えたプローブと、各々の前記電極によって測定された測定信号中のスパイクを検出して所定の信号を出力する複数の検出ユニットと、複数の前記検出ユニットからの出力信号に対して論理演算を行う論理演算部と、該論理演算部の出力信号に応じて所定の電気信号を出力する刺激信号発生部と、前記電気信号を前記電極から出力させる複数の切換部とを備え、前記検出ユニットが、前記測定信号中にスパイクを検出した時から、第１の時間幅のパルス信号を出力し、前記パルス信号の出力を終了した時から第２の時間の間、再び前記測定信号中にスパイクを検出した場合でも、前記パルス信号を出力しないことを特徴としている。
【００１２】
本発明に係る神経回路網電気活動調整装置（２）は、神経回路網に電気刺激を与えて該神経回路網の活動を調整する神経回路網電気活動調整装置であって、複数の第１の電極及び第２の電極を備えたプローブと、各々の前記第１の電極によって測定された測定信号中のスパイクを検出して所定の信号を出力する複数の検出ユニットと、複数の前記検出ユニットからの出力信号に対して論理演算を行う論理演算部と、該論理演算部の出力信号に応じて所定の電気信号を前記第２の電極から出力する刺激信号発生部とを備え、前記検出ユニットが、前記測定信号中にスパイクを検出した時から、第１の時間幅のパルス信号を出力し、前記パルス信号の出力を終了した時から第２の時間の間、再び前記測定信号中にスパイクを検出した場合でも、前記パルス信号を出力しないことを特徴としている。
【００１３】
本発明に係る神経回路網電気活動調整装置（３）は、上記の神経回路網電気活動調整装置（１）又は（２）において、前記論理演算部が、複数の論理ユニットを備え、各々の前記論理ユニットが、第１の制御信号に応じて入力信号を反転して出力する複数のインバータと、複数の前記インバータの出力信号に対して、第２の制御信号に応じて所定の論理演算を行う第１の演算部とを備えていることを特徴としている。
【００１４】
本発明に係る神経回路網電気活動調整装置（４）は、上記の神経回路網電気活動調整装置（１）〜（３）の何れかにおいて、前記刺激信号発生部が、所定のディジタルの時系列データを記録し、前記論理演算部からの出力信号に応じて、前記時系列データを読み出して出力する刺激パターン生成部と、該刺激パターン生成部の出力信号をアナログ信号に変換して出力する刺激信号生成部とを備えていることを特徴としている。
【００１５】
本発明に係る神経回路網電気活動調整装置（５）は、上記の神経回路網電気活動調整装置（１）〜（４）の何れかにおいて、前記第１の時間が約１ミリ秒であり、前記第２の時
間が約２ミリ秒であることを特徴としている。
【００１６】
本発明に係る神経回路網電気活動調整装置（６）は、上記の神経回路網電気活動調整装置（１）〜（５）の何れかにおいて、前記検出ユニットが、入力される前記測定信号が所定の閾値よりも大きくなった時に第３の時間幅のハイレベルのパルス信号を出力するスパイク検出部と、該スパイク検出部から出力されるパルス信号の立上り時刻から、第４の時間だけ遅延した時刻において、出力信号をハイレベルからローレベルに変化させ、その後、前記第２の時間出力信号をローレベルに維持する休止パルス生成部と、前記スパイク検出部の出力信号及び前記休止パルス生成部の出力信号に対して、論理積演算を行う第２の演算部とを備えていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る神経回路網電気活動調整装置によれば、測定した細胞外電位に応じて神経細胞への高速フィードバック刺激を行うことできる。特に、検出ユニットに出力信号の保持期間を設けたことによって、測定した細胞外電位に対して有効な論理演算を実行することができ、出力信号の休止期間を設けたことによって、フィードバックによる発振を回避することができ、安定して神経細胞の活動状況を調整することができる。従って、培養神経細胞の神経回路網形成に一定のルールを与え、外部からの刺激入力に応じた自発活動をもつ神経回路網の構築を促すことができる。
【００１８】
また、測定した細胞外電位に対して演算を行う演算部を、演算の種類を指定できる複数の論理ユニットを組み合わせて構成できるようにしたことによって、柔軟に神経細胞の活動状況を調整することができ、比較的安価な装置を実現することができる。
【００１９】
神経回路網を用いる薬理効果アッセイシステムの解析結果は、一般に使用する神経回路網の初期状態の違いによって異なると考えられる。従って、本発明に係る神経回路網電気活動調整装置を用いて、解析に使用する神経回路網の活動調整を行うことによって、薬理アッセイシステム、神経作動薬スクリーニングシステムなどの解析結果の安定性、再現性を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明に係る神経回路網電気活動調整装置は、神経回路網が外部環境からの刺激入力によって自律的にアルゴリズムを獲得する過程を研究するツールとしても非常に有用なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る神経回路網電気活動調整装置の概略構成を示すブロック図である。本神経回路網電気活動調整装置は、プローブ１、インタフェース部２、信号検出部３、論理演算部４、刺激パターン生成部５、及び刺激信号生成部６を備えている。
【００２２】
プローブ１は、例えば、上記特許文献１、２に示したような細胞外電位を測定できる複数の電極を備えており、各々の電極が、培養液中にある測定・刺激対象の複数の神経細胞である神経細胞群１０に接触するように配置されている。各々の電極は、細胞外電位の測定だけでなく、細胞への電気刺激にも使用される。
【００２３】
インタフェース部２は、複数のスイッチ（図示せず）を備え、これらを介してプローブ１の各々の電極と信号検出部３とを接続している。各々のスイッチが、制御信号に応じて、２系統の信号ラインを切り換えることによって、細胞外電位の測定と、後述する細胞への電気刺激とが選択的に実行される。また、測定した細胞外電位は微小な信号であるので、信号増幅器（図示せず）によって所定のレベルに増幅されて信号検出部３に出力される
。
【００２４】
信号検出部３は、複数の検出ユニット３１〜３３を備えている。各々の検出ユニット３１〜３３のアナログ信号入力端子は、インタフェース部２内の対応するスイッチを介して、プローブ１の中の対応する電極に接続されている。図１は、３つの検出ユニットを備えている場合、即ち３つの電極を使用する場合を示している。各々の検出ユニット３１〜３３は、アナログ信号の細胞外電位信号を受信し、その信号中のスパイクを検出し、その検出タイミングに応じて所定時間幅のパルス信号を出力する。
【００２５】
各々の検出ユニット３１〜３３は、検出した一つのスパイクに対して所定の時間、出力信号を保持し、信号を出力した後に新たなスパイクの検出があっても所定の時間、信号を出力しない保持機能及び休止機能を備えている。これら、信号を保持する時間、休止する時間を、それぞれ保持時間、休止時間という。休止時間は、フィードバックによる発振を回避するために必要であり、保持時間は、後述するように、細胞外電位信号の論理演算を有効に行うために必要である。神経細胞を対象とする場合、保持時間は、目的に応じて異なるが、約１ｍｓｅｃ〜約５ｍｓｅｃ程度が有効である。また、休止時間は、神経活動の活動状況に応じて調整する必要がある。
【００２６】
保持機能及び休止機能に関して、図２、３を用いて具体的に説明する。図２は、検出ユニット３１の内部構成の一例を示すブロック図である。検出ユニット３２、３３も同じ構成である。検出ユニット３１は、スパイク検出部３１１、休止パルス生成部３１２、演算部３１３、及びパラメータ設定部３１４を備えている。スパイク検出部３１１は、例えば、入力信号ｉｎが予め設定された閾値Ｖｔｈを超えた場合、所定の時間幅ｔ１のパルス信号ｓ１を出力する。休止パルス生成部３１２は、入力信号（ｓ１）の立下りタイミングで、所定の時間幅ｔ２の間、ローレベルの信号ｓ２を出力する。パラメータ設定部３１４は、制御信号ｃ１、ｃ２をスパイク検出部３１１、休止パルス生成部３１２に入力し、閾値Ｖｔｈ、時間幅ｔ１、ｔ２を設定する。演算部３１３は、入力されるディジタル信号ｓ１、ｓ２の論理積（ＡＮＤ）を取り、その結果をディジタル信号ｏｕｔ１として出力する。
【００２７】
スパイク検出部３１１、休止パルス生成部３１２は、公知の回路技術を応用して構成することができる。例えば、スパイク検出部３１１は、コンパレータと単安定マルチバイブレータとを用いて構成することができ、休止パルス生成部３１２は、単安定マルチバイブレータを用いて構成することができる。その場合、スパイクを検知するための閾値Ｖｔｈはコンパレータの基準電圧を変化させることによって調節でき、時間幅ｔ１、ｔ２は、単安定マルチバイブレータを構成する可変素子（可変コンデンサ、可変抵抗など）の値を変化させることによって、調節することができる。
【００２８】
図３は、ｔ１＜ｔ２と設定されている場合の、これらの信号ｓ１、ｓ２、ｏｕｔ１の変化を示すタイミングチャートである。図３に示したように、スパイク検出部３１１の出力信号ｓ１は、スパイクを検出する度に、時間幅ｔ１のパルス信号として出力される。休止パルス生成部３１２の出力信号ｓ２は、信号ｓ１の立下りタイミングでハイレベルからローレベルに変化し、これが時間ｔ２の間維持され、その後ハイレベルに戻る。従って、演算部３１３の出力信号、即ち検出ユニット３１からの出力信号ｏｕｔ１は、時間ｔ１の間ハイレベルに保持され、ｔ２以下の短い時間間隔で発生する次のスパイクに対しては応答しない休止期間を有するパルス信号となる。
【００２９】
論理演算部４は、複数の論理ユニット４１、４２を備えて構成されている。各々の論理ユニット４１、４２の内部構成は同じであり、２つのディジタル信号を入力され、それらに対して所定の論理演算を行った結果のディジタル信号を出力する。一つの論理ユニットに入力される信号は、スパイク検出ユニットの出力信号に限らず、別の論理ユニットの出
力信号でもよい。図１では、一例として、論理ユニット４１に検出ユニット３１、３２の出力信号が入力され、論理ユニット４２に検出ユニット３３の出力信号と論理ユニット４１の出力信号とが入力されるように接続されている。
【００３０】
図４は、論理ユニット４１の内部構成の一例を示すブロック図である。論理ユニット４１は、各々の入力信号ｉｎ１、ｉｎ２を反転させて出力する２つのインバータ４１１、４１２と、入力される２つのインバータ４１１、４１２の出力信号の論理演算を行って出力信号ｏｕｔ２として出力する演算部４１３と、論理設定部４１４とを備えている。論理設定部４１４は、各々のインバータ４１１、４１２の有効／無効を設定する。有効に設定されたインバータは、入力信号を反転して出力し、無効に設定されたインバータは、入力信号をそのまま出力する。また、論理設定部４１４は、論理積（ＡＮＤ）、論理和（ＯＲ）、及び排他的論理和（ＸＯＲ）の手段を備えた演算部４１３に対して、ＡＮＤ、ＯＲ、及びＸＯＲの内の一つの演算を行うように設定する。インバータ４１１、４１２が否定論理演算（ＮＯＴ）の働きをするので、論理ユニット４１は、全体としてＮＡＮＤ、ＮＯＲの論理演算をも行うことが可能である。
【００３１】
上記したように各検出ユニットが保持機能を備えているので、各電極で観測される細胞外電位のスパイクに、保持時間内の時間的なずれがあっても、複数の検出ユニットからの出力信号を論理ユニットに入力して有効な論理演算を実行することができる。このことは、例えば、２つの入力チャンネルで神経細胞の活動を測定してＡＮＤをとる場合のように、神経細胞の同期性に対するシステムの閾値を、保持時間で指定することができることを意味する。
【００３２】
刺激パターン生成部５は、ディタル入力信号ｏｕｔ２に応じて所定のパターンのディジタル信号ｏｕｔ３を出力する。例えば、刺激パターン生成部５へのディタル入力信号ｏｕｔ２がハイレベルになれば、刺激パターン生成部５の内部に備えたメモリ（図示せず）に予め記録された時系列データを読み出して出力する。
【００３３】
ここで、刺激パターン生成部５の出力信号ｏｕｔ３は、神経回路網の電気活動をどのように調整するかに応じて、予め決定されており、書き替え可能なメモリに記録されている。このため、調整目的に応じて変更が容易であり、予め効果があることが分かっている刺激、即ち神経の活動を変え得る刺激を記録しておくことができる。
【００３４】
刺激信号生成部６は、入力される所定パターンのディジタル信号ｏｕｔ３をアナログ信号に変換し、信号増幅器（図示せず）を用いて増幅して出力する。出力されたアナログ信号ｏｕｔ４は、インタフェース部２の各スイッチに入力される。このとき、刺激信号生成部６は、インタフェース部２のスイッチを切り換える制御信号ｃ６を出力する。即ち、この制御信号ｃ６は、アナログ信号ｏｕｔ４が出力されている間、出力されて、出力信号ｏｕｔ４が電極に伝達されるようにスイッチを切り換える。これによって、神経細胞群１０に、所定の強度パターンで電気刺激を与えることができる。
【００３５】
刺激信号生成部６は、アナログ信号ｏｕｔ４の出力を終えた後、制御信号ｃ６の出力を停止する。これによって、インタフェース部２のスイッチが再び細胞外電位を測定するように切り換えられ、以上の処理が繰り返えされる。
【００３６】
従って、細胞外電位の測定結果を、電気刺激として細胞にフィードバックすることができ、神経細胞が形成する神経回路網の電気活動を調整することが可能となる。
【００３７】
このようにして、電極位置、論理ユニットの演算種類を適宜変更し、フィードバック刺激を行いながら神経細胞を培養することができる。生体神経回路網は入力された刺激を環
境情報とし、これに対応した合目的的神経回路網を自律的に構築するので、本神経回路網電気活動調整装置によって神経回路網の電気活動のチューニングを行うことができる。
【００３８】
以上では、図１に示した構成の神経回路網電気活動調整装置に関して説明したが、図１は一例であり、この構成に限定されない。４つ以上の電極及び検出ユニットを備えてもよく、３つ以上の論理ユニットを備えてもよい。また、神経回路網の調整内容に応じて、所望の論理演算を行うことができるように、複数の論理ユニットの接続を変更すればよい。図５は、検出ユニット及び論理ユニットの別のレイアウト例を示すブロック図である。ここで、各論理ユニットには、演算種類を表すＡＮＤ、ＯＲ、ＸＯＲを記載している。
【００３９】
また、上記では休止パルス生成部３１２が、入力信号ｓ１の立下りで出力信号ｓ２のレベルを切り換える場合を説明したが、これに限定されない。例えば、休止パルス生成部３１２が、入力信号パルスｓ１の立上りから所定の時間ｔｄだけ遅延したタイミングで、出力信号ｓ２をハイレベルからローレベルに切り換えてもよい（図９参照）。図９は、ｔｄ＜ｔ１＜ｔ２の場合のタイミングチャートであり、このとき検出ユニットの出力信号ｏｕｔ１は、保持時間がｔｄ、休止時間がｔ２になる。図３は、ｔｄ＝ｔ１の場合に相当する。また、ｔ１＜ｔｄ＜ｔ２の場合には、検出ユニットの出力信号ｏｕｔ１は、保持時間がｔ１、休止時間がｔ２になる。
【００４０】
また、検出ユニットは図２に示した構成に限定されず、入力信号に応じた信号を所定の時間保持する機能、及びその後の所定の時間信号の出力を休止する機能を備えていればよく、公知のコンパレータ、マルチバイブレータ、遅延回路、サンプルホールド回路などを適宜組み合わせて構成することができる。
【００４１】
また、論理ユニットは図４に示した構成に限定されず、例えば、３つ以上の入力信号をを処理するように構成する、インバータを演算部の後段に備えて構成するなど、種々の構成が可能である。
【００４２】
また、休止時間、停止時間は、刺激対象の細胞や調整内容に応じて、適切な値を用いればよい。
【００４３】
また、刺激パターンをメモリに記録する代わりに、所定のディジタルパターンを生成する回路を備えてもよい。
【００４４】
また、細胞外電位を測定する電極の全てを刺激を与えるために使用する場合を説明したが、これに限定されず、測定用の電極の一部を使用して刺激を与えることや、測定用の電極とは別に刺激用の電極を備えてもよい。この場合には、電極を細胞外電位記録用と、刺激用とにあらかじめ区別して設定する。刺激信号生成部からの出力ラインを刺激用電極のみに接続しておくならば、刺激用電極以外の各電極から、刺激中の神経細胞の電気的応答を同時に記録することも可能である。
【実施例】
【００４５】
以下に実施例を示し、本発明の特徴とするところをより一層明確にする。
【００４６】
市販の細胞外電位多点計測装置（ＭＥＤ−６４インテグレーテッドシステム：アルファメッドサイエンス社製）をインタフェース部２として用いたシステムとして、一実施の形態として上記で示した神経回路網電気活動調整装置を試作した。試作システムにおいて、活動電位を模した信号として、周波数１０００Ｈｚ、振幅２００ｍＶのサイン波を、検出ユニットの入力端子に印可して出力信号を観測し、保持・休止動作を確認した。この模擬入力信号は、実際に測定される細胞外電位（約２００μＶ）を約１０００倍に増幅したも
のに相当する。
【００４７】
試作システムにおいて、この模擬入力信号に対する検出ユニットの出力信号を観測した結果を、０レベルをオフセットして重ねて図６に示す。図６において、最下段の信号ｉｎは模擬入力信号であり、中段の信号ｏｕｔ’は、保持時間及び休止時間をそれぞれ１ｍｓｅｃ、０ｍｓｅｃに設定した場合の検出ユニットの出力信号であり、最上段の信号ｏｕｔは、保持時間及び休止時間をそれぞれ１ｍｓｅｃ、２ｍｓｅｃに設定した場合の検出ユニットの出力信号である。
【００４８】
最上段の信号ｏｕｔから、スパイクが検出されると所定時間（１ｍｓｅｃ）出力を維持し、その後の所定時間（２ｍｓｅｃ）は再びスパイクが検出されても、信号を出力していないことが分かる。即ち、保持・休止機能が実現されている。
【００４９】
次に、実際に神経細胞を用いて、試作システムの有効性の確認実験を行った。試作システムにおいて、ノイズレベル近傍にスパイク信号検出の閾値Ｖｔｈを設定した検出ユニットに、ＯＲ演算を行うように設定した論理ユニットを接続し、ノイズの揺らぎによってランダムに頻回刺激が出力されるようにした。ラット胚令１７日の海馬神経細胞を、複数の電極を設置した解離培養環境に置き、本試作システムを用いて、培養７日目からフィードバック電気刺激を行いながら培養した。ここで、頻回刺激として、平均して１〜２時間に一度程度の頻度でフィードバック電気刺激が与えられるように閾値Ｖｔｈを設定した。一方、比較のために、電気刺激を与えずにラット胚令１７日の海馬神経細胞を培養した。
【００５０】
観測結果を図７に示す。図７の（ａ）は、試作システムによる電気活動調整を行いながら培養した１４日目の神経回路網に対して、試作システムによる刺激を与えない状態で、自発的な神経活動を、複数の電極で測定した結果である。また、図７の（ｂ）は、電気刺激を与えずに培養した細胞の活動電位を同様に測定した結果である。また、図８には、測定データの自己相関を求めたデータを示す。図８の（ａ）、（ｂ）は、培養７日目から本試作システムを用いて電気活動調整を行いながら培養した神経細胞の、それぞれ１０日目、１７日目の自己相関関数である。また、（ｃ）、（ｄ）は、電気刺激を与えないで培養した神経細胞の、それぞれ１０日目、１７日目の自己相関関数である。ここで、測定した時系列データの自己相関は、神経科学的な方法で求めた。即ち、複数のスパイクを含んでいる±３００ｍｓｅｃの範囲の各神経活動電位に関して、１つのスパイクの時刻を基準として所定の時間幅（ｂｉｎ幅＝５ｍｓｅｃ）に含まれるスパイクの数をカウントしてヒストグラムを作成する処理を、基準にするスパイクを変更して繰り返し行い、各処理で得られたヒストグラムを全て加算した。図８の縦軸はこのとき各ｂｉｎ幅に含まれるスパイクの数を時間で除したもの（周波数）、横軸は各神経活動スパイクのピークを時間０とした時刻を示している。
【００５１】
図７の（ａ）と（ｂ）とを比較すると、（ａ）の測定データは（ｂ）よりも明らかにバースト構造が多くなっていることが分かる。従って、本試作システムで電気刺激を与えながら培養することによって、周期的自発的活動電位パターンをもつ神経回路網形成が促進されたことが分かる。
【００５２】
また、図８から分かるように、培養１７日目において、電気刺激を与えながら培養した神経細胞の自己相関関数の方が、刺激を与えずに培養したものと比較して、ピークが明瞭になっていることが分かる（図８の（ｂ）の矢印部分）。このことは、本試作システムによる電気刺激によって、神経回路網の自己組織化が進展したことを表している。このように、本発明に係る神経回路網電気活動調整装置によって、神経回路網の定常状態における活動状況を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態に係る神経回路網電気活動調整装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した検出ユニットの内部構成を示すブロック図である。
【図３】検出ユニットの出力信号の生成を説明するタイミングチャートである。
【図４】図１に示した論理ユニットの内部構成を示すブロック図である。
【図５】検出ユニット及び論理ユニットの別の接続例を示すブロック図である。
【図６】試作システムにおける検出ユニットの出力信号を示す波形図である。
【図７】細胞外電位の測定データを示す図であり、（ａ）は試作システムで電気刺激を与えながら培養した神経細胞に関し、（ｂ）は電気刺激を与えずに培養した神経細胞に関する。
【図８】図７と同様の測定データの自己相関関数を示す図であり、（ａ）及び（ｂ）は試作システムで電気刺激を与えながら培養した神経細胞に関し、（ｃ）及び（ｄ）は電気刺激を与えずに培養した神経細胞に関する。
【図９】検出ユニットの出力信号の生成を説明する別のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００５４】
１      プローブ
２      インタフェース部
３      信号検出部
４      論理演算部
５      刺激パターン生成部
６      刺激信号生成部
３１〜３３  検出ユニット
４１、４２  論理ユニット
【図１】
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【図２】
2005269987.tif 000004
【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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