(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニューロン結合体層の上下がニューロン観測層およびニューロン設定層で挟まれた構造を有し、
上記ニューロン結合体層は上記ニューロン設定層より成長したニューロンからなり、
上記ニューロン観測層は可変配線層およびパッドアレイ層からなる２重構造を有し、このパッドアレイ層側が上記ニューロン結合体層と結合し、
上記ニューロン設定層はＬＳＩ基板およびパッドアレイ層からなる２重構造を有し、このパッドアレイ層側が上記ニューロン結合体層と結合しているニューロン結合体装置。
【請求項２】
上記ニューロン結合体層はニューロンが結合してネットワークを形成したものである請求項１記載のニューロン結合体装置。
【請求項３】
上記ニューロン観測層の上記パッドアレイ層は二次元アレイ状に配列されたパッド電極からなり、このパッド電極の配列ピッチは上記ニューロン結合体層における上記ニューロンの平均的な配列ピッチとほぼ等しく設定されている請求項１または２記載のニューロン結合体装置。
【請求項４】
上記ニューロン観測層の上記可変配線層は配線結合の書き換えが可能なＬＳＩからなる請求項１〜３のいずれか一項記載のニューロン結合体装置。
【請求項５】
上記ニューロン設定層の上記パッドアレイ層は二次元アレイ状に配列されたパッド電極からなり、このパッド電極の配列ピッチは上記ニューロン観測層の上記パッドアレイ層における上記パッド電極の配列ピッチに比べて大きく選ばれている請求項３記載のニューロン結合体装置。
【請求項６】
上記ニューロン設定層の上記パッドアレイ層における上記パッド電極上に液晶層が形成され、この液晶層上に上記ニューロンが成長した請求項５記載のニューロン結合体装置。
【請求項７】
上記ニューロン結合体層は二次元または三次元のニューロン系からなる請求項１〜６のいずれか一項記載のニューロン結合体装置。
【請求項８】
上記ニューロン結合体層が多段に積層された構造を有する請求項１〜７のいずれか一項記載のニューロン結合体装置。
【請求項９】
ＬＳＩ基板およびパッドアレイ層からなる２重構造を有するニューロン設定層のパッドアレイ層側にニューロンを成長させてニューロン結合体層を形成し、
上記ニューロン結合体層上に、可変配線層およびパッドアレイ層からなる２重構造を有するニューロン観測層のパッドアレイ層側を結合させるようにしたニューロン結合体装置の製造方法。
【請求項１０】
上記ニューロン観測層の上記パッドアレイ層は二次元アレイ状に配列されたパッド電極からなり、このパッド電極の配列ピッチは上記ニューロン結合体層における上記ニューロンの平均的な配列ピッチとほぼ等しく設定されている請求項９記載のニューロン結合体装置の製造方法。
【請求項１１】
上記ニューロン観測層の上記可変配線層は配線結合の書き換えが可能なＬＳＩからなる請求項９または１０記載のニューロン結合体装置の製造方法。
【請求項１２】
上記ニューロン設定層の上記パッドアレイ層は二次元アレイ状に配列されたパッド電極からなり、このパッド電極の配列ピッチは上記ニューロン観測層の上記パッドアレイ層における上記パッド電極の配列ピッチに比べて大きく選ばれている請求項１０記載のニューロン結合体装置の製造方法。
【請求項１３】
上記ニューロン設定層の上記パッドアレイ層における上記パッド電極上に液晶層を形成し、この液晶層上に自己組織前進自律的階層獲得により上記ニューロンを成長させる請求項１２記載のニューロン結合体装置の製造方法。
【請求項１４】
上記ニューロン結合体層上に上記ニューロン観測層の上記パッドアレイ層側を結合させた後、上記ニューロン観測層により上記ニューロン結合体層の観測を行い、上記ニューロン結合体層の上記ニューロンと上記ニューロン観測層の上記パッドアレイ層を構成するパッド電極との対応関係を明確にし、それに応じて、必要な部分の、上記ニューロン観測層の上記可変配線層の配線結合を変更する請求項９〜１３のいずれか一項記載のニューロン結合体装置の製造方法。
【請求項１５】
上記ニューロン結合体層の上記ニューロンの成長を電場、光子搬送または振動場により制御する請求項９〜１４のいずれか一項記載のニューロン結合体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、ニューロン結合体装置に関し、例えば、ニューロン系の特性解析などに用いて好適なものである。
背景技術
バイオ系、特にニューロン系の特性の解析は近年、ますます重要になってきている。
このような特性解析の対象となるニューロン系として、例えば第１図に示すように、膨大な数のニューロンが結合した系（ｍａｓｓｉｖｅｌｙ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ  ｎｅｕｒｏｎａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）である人間の脳のような結合ニューロン系が考えられる。この結合ニューロン系の機能や反応を観測する手法としては、外部からプローブを差し込み、このプローブを通して電気信号を検出する手法が代表的である。また、ニューロン系の動作状態をマクロ的に観測する観点からは、ＮＭＲ（核磁気共鳴）やＣＴスキャン（コンピュータ断層撮影）などの手法がある。
しかしながら、第１図に示すような結合ニューロン系に差し込むことができるプローブの数は自ずと制限されるし、ＮＭＲやＣＴスキャンなどの手法ではマクロ的な観察しかできないことから、例えば、各ニューロンからの個別の信号を観測することは困難であった。
このような状況が結合ニューロン系の解析を妨げており、この事実が、生体に学んでさらに高度な人工物をつくり、機能として新しいものを付加させることが必ずしも十分できていない状況をもたらしている。例えば、ＬＳＩのみ、有機機能物質のみ、光制御のみの観点からは、着実な進展が見られるものの、上述のように結合ニューロン系の解析が不十分なため、生体系の高度さが現状においては、遺伝子の制御下にはあっても、必ずしも脳の制御下には置かれていない。
従ってこの発明の目的は、上記の従来のニューロン系の限界を打破し、各ニューロンからの信号を検出することができ、より詳細な特性解析を行うことができるなど、広範な応用が可能なニューロン結合体装置を提供することにある。
発明の開示
本発明者は、観測対象としての従来のニューロン系の代わりに、第２図に概念的に示すようなニューロン系を用いることを考えた。第２図に示すように、このニューロン系は、培養ニューロン系の一方の側および他方の側にそれぞれ多数のプローブを密に配列し、各ニューロンに接触させたものであり、それらのプローブを用いて各ニューロンからの信号の検出や各ニューロンの制御を行うことが可能である。
すなわち、上記目的を達成するため、この発明の第１の発明は、
ニューロン結合体と、
ニューロン結合体と互いに異なる部位で結合した複数の素子層とを有する
ことを特徴とするニューロン結合体装置である。
この発明の第２の発明は、
一対の素子層の間にニューロン結合体層が挟まれた構造を有する
ことを特徴とするニューロン結合体装置である。
ここで、素子層は複数の電子素子を含み、あるいは、複数の光素子および複数の電子素子を含む。一対の素子層のうちの一方の素子層はニューロン結合体層の設定系を構成し、他方の素子層はニューロン結合体層の観測系を構成する。また、例えば、ニューロン結合体層の観測系を構成する素子層は二次元的に配置されたパッドまたはゲートアレイを含み、典型的には、二次元的に配置されたパッドまたはゲートアレイおよび可変配線層を含む。一方、ニューロン結合体層の設定系を構成する素子層は、例えば、二次元的な電場を発生させるように構成されたり、二次元的な光子搬送が可能なように構成されたり、二次元的な振動場を発生させるように構成されたり、二次元的に配置された体積変化可能な物質を含む。これらにより、ニューロンの生育を制御することができる。このニューロン結合体層の設定系を構成する素子層は、典型的には、少なくともニューロンの成長の制御の機能およびニューロン結合体層の教育の機能を果たす。ニューロン結合体層は二次元または三次元のニューロン系からなる。ニューロン結合体層は必要に応じて、二段以上の多段に積層される。
発明を実施するための最良の形態
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
第３図はこの発明の第１の実施形態によるニューロン結合体装置を示す。第３図に示すように、このニューロン結合体装置は、多数のニューロンが結合してネットワークを形成したニューロン結合体層１の上下がニューロン観測層２およびニューロン設定層３で挟まれた構造を有する。ニューロン観測層２の出力端子には電気的なバスライン４が接続されており、ニューロン設定層３の出力端子には電気的なバスライン５が接続されている。
ニューロン結合体層１は、第４図にその一例を示すように、ニューロン設定層３より成長したニューロンＮからなる。このニューロンの成長は、典型的には、自己組織前進自律的階層獲得（ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ  ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｖｅ  ｈｉｅｒａｒｃｈｙ  ａｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）により行う。
ニューロン観測層２は検出器としての役目を果たす。第５図に示すように、このニューロン観測層２は、パッドアレイ層２ａおよび可変配線層２ｂからなる２重構造を有する。ここで、パッドアレイ層２ａ側がニューロン結合体層１と結合している。
第６図に、パッドアレイ層２ａの具体的な構造の一例を示す。ただし、第６図はニューロン観測層２をパッドアレイ層２ａ面側から見たものである。第６図に示すように、この場合、パッドアレイ層２ａにおいては、微小なパッド電極Ｐが二次元アレイ状に配列されている。このパッド電極Ｐの配列ピッチは、パッドアレイ層２ａとの接触面におけるニューロン結合体層１上のニューロンからの信号を可能な限り検出することができるように、これらのニューロンの平均的な配列ピッチとほぼ等しく設定される。
可変配線層２ｂは、配線結合の書き換えが可能なＬＳＩからなり、具体的には、例えば、フィールドプログラマブルロジックアレイ（ＦＰＬＡ）などにより構成される。ＦＰＬＡは、縦横に多数形成された配線の交点をオン／オフすることにより配線の結合を可変としたものであり、配線の交点のオン／オフをヒューズ溶断により行うもの、接合破壊により行うもの、レーザビームの照射により行うものなどがある。ＦＰＬＡは、ＭＯＳデバイスを用いたもの、バイポーラデバイスを用いたものなどがあるが、ＴＴＬを用いたものがよく用いられる。この可変配線層２ｂは、典型的には、シリコン基板またはシリコン層を用いて形成される。
ニューロン設定層３は、ニューロン結合体層１を構成するニューロンの成長を制御するとともに、成長後は、このニューロン系の教育ないし育成を行う役目を果たす。第７図に示すように、このニューロン設定層３は、ＬＳＩ基板３ａおよびパッドアレイ層３ｂからなる２重構造を有する。ここで、パッドアレイ層３ｂ側がニューロン結合体層１と結合している。
ＬＳＩ基板３ａは、トランジスタなどの必要な素子が作り込まれて電子回路が形成された基板であり、例えばシリコン基板のような半導体基板である。このＬＳＩ基板３ａに形成された電子回路の出力端子とパッドアレイ層３ｃを構成するパッド電極とは配線層により電気的に接続されている。第８図に、ニューロン結合体層１と結合するパッドアレイ層３ｂの具体的な構造の一例を示す。ただし、第８図はニューロン設定層３をパッドアレイ層３ｂ面側から見たものである。第８図に示すように、この場合、パッドアレイ層３ｂにおいては、微小なパッド電極Ｑが二次元アレイ状に配列されている。このパッド電極Ｑの配列ピッチは、成長させるべきニューロンに応じて決定されるが、通常は、自己組織前進自律的階層獲得によりニューロンの成長を行わせるために、ニューロン観測層２のパッドアレイ層２ｂにおけるパッド電極Ｐの配列ピッチに比べて大き目に選ばれる。この場合、ニューロンの成長開始位置をパッド電極Ｑ上に制御するために、好適には、第８図に示すように、各パッド電極Ｑ上にあらかじめ液晶層ＬＣが形成される。液晶層ＬＣとしては、重合体側鎖液晶（ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ｓｉｄｅ  ｃｈａｉｎ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ）が用いられ、その重合体としてはポリエステルまたはポリペプチドが選ばれる。
次に、上述のように構成されたこの第１の実施形態によるニューロン結合体装置の製造方法について説明する。
まず、ニューロン設定層３を用意する。このニューロン設定層３を構成するＬＳＩ基板３ａおよびパッドアレイ層３ｂは、形成すべきニューロン結合層１に応じて、あらかじめ設計する。パッドアレイ層３ｂの各パッド電極Ｑ上には液晶層ＬＣを形成しておく。
次に、あらかじめ調製された適当な培養液中において、ニューロン設定層３上にニューロンを自己組織前進自律的階層獲得により成長させ、ニューロン結合体層１を形成する。この際、ニューロンは各パッド電極Ｑ上に形成された液晶層ＬＣの分子配向によりその上に優先的に成長する。ニューロンの成長の制御は、後に説明する方法により行うことができる。
次に、ニューロン結合体層１上に、あらかじめ別途形成されたニューロン観測層２のパッドアレイ層２ａを結合させる。ここで、ニューロン結合体層１を構成するニューロンは上述のように自己組織前進自律的階層獲得により成長するが、このニューロンの三次元配置は大まかにしか制御することができないため、これらのニューロンとパッドアレイ層２ａを構成するパッド電極Ｐとの対応関係はこの時点では明確でない。そこで、この状態でニューロン観測層２によりニューロン結合体層１の観測を行い、これらのニューロンとパッドアレイ層２ａを構成するパッド電極Ｐとの対応関係を明確にする。具体的には、どのパッド電極Ｐにニューロンが結合しているかを調べる。このようにしてニューロンとパッドアレイ層２ａを構成するパッド電極Ｐとの対応関係が明確になったら、それに応じて、必要な部分の可変配線層２ｂの配線結合を変更する。
この後、ニューロン観測層２およびニューロン設定層３にそれぞれバスライン４、５を形成する。
以上により、目的とするニューロン結合体装置が完成する。
ここで、ニューロンの生育分布の制御方法について説明する。この場合、この制御には電場を用いる。具体的には、パッドアレイ層２ａの各パッド電極Ｐに適当な電圧を印加することにより二次元面内で任意の電場分布を発生させる。第８図および第９図はその例を示す。第８図に示す方法では、パッドアレイ層２ａの各パッド電極Ｐに印加する電圧を一方向に段階的に徐々に低くすることにより、矢印で示すような二次元の均一電場を発生させる。また、第９図に示す方法では、パッドアレイ層２ａの各パッド電極Ｐに印加する電圧を場所ごとに適当に設定することにより、モザイク的な電場分布の領域（矢印Ａで示す部分）、大域的な電場分布の領域（矢印Ｂで示す部分）、渦巻き的な電場分布の領域（矢印Ｃで示す部分）などがある二次元電場を発生させる。さらにこの場合、これらのベクトル場としての二次元電場を時間的に変化させることにより、ニューロンの成長を制御し、あるいはニューロンの成長の様子をニューロン観測層２で観測することもできる。
このニューロン結合体装置の動作について説明する。すなわち、このニューロン結合体装置の動作モードにおいては、ニューロン観測層２における出力Ｏｕｔ（ｘ，ｙ）は、ニューロン結合体層１により、ニューロン設定層３への入力Ｉｎ（ｘ，ｙ）の関数Ｆとして与えられる。すなわち、Ｏｕｔ（ｘ，ｙ）＝Ｆ（Ｉｎ（ｘ，ｙ））である。Ｆはさらに、成長関数Ｇと応答（反応教育）関数Ｒとの二つの積からなる。すなわち、Ｆ＝Ｇ・Ｒである。
この第１の実施形態によるニューロン結合体装置によれば、ニューロン結合体層１の各ニューロンからの信号をニューロン観測層２により検出することができ、ニューロン系の詳細な特性解析を行うことができる。
また、このニューロン結合体装置によれば、情報処理を行うこともできる。すなわち、ニューロン設定層３に入力情報の信号を入力し、ニューロン結合体層１でその情報処理を行い、その結果をニューロン観測層２から出力として取り出すことができる。また、この際、例えば、入力情報として、Ｎ−１階層のニューロン層で情報処理を行った結果を入力することにより、ニューロン結合体層１を実際にＮ階層のニューロン層で形成しなくても、ニューロン結合体層１がＮ階層のニューロン層で形成されている場合と同じ出力を得ることができる。
次に、この発明の第２の実施形態によるニューロン結合体装置について説明する。
この第２の実施形態によるニューロン結合体装置においては、ニューロン設定層３によるニューロンの成長の制御方法が第１の実施形態と異なる。すなわち、この第２の実施形態においては、フォトンデリバリーによりニューロンの成長の制御を行う。その例を第１２図に示す。第１２図に示すように、ニューロン設定層３上に二次元光導波路アレイを形成する。具体的には、この二次元光導波路アレイは、直線状の光ファイバー１１を互いに平行に複数本並べ、これらの光ファイバー１１と直交するように直線状の制御信号線１２を互いに平行に複数本並べたものである。光ファイバー１１および制御信号線１２の間隔は、成長させるべきニューロンに応じて決定される。
各光ファイバー１１の一端には光源として半導体レーザ１３がそれぞれ設けられており、この半導体レーザ１３からのレーザ光を光ファイバー１１の端面からコアに入射させることができるようになっている。半導体レーザ１３としては、例えば、紫外（ＵＶ）、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、赤外（ＩＲ）などでの発光が可能なものが用いられる。具体的には、例えば、紫外または青色で発光可能な半導体レーザ１３としてはＧａＮ系半導体レーザ、赤色発光の半導体レーザ１３としてはＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ、緑色発光の半導体レーザ１３としてはＺｎＳｅ系半導体レーザ、赤外発光の半導体レーザ１３としてはＧａＡｓ系半導体レーザが用いられる。
各光ファイバー１１の一端に設けられた半導体レーザ１３の駆動および制御信号線１２の駆動は、図示省略した水平駆動回路および垂直駆動回路により行うことができるようになっている。
第１３図に光ファイバー１１の断面構造を示す。第１３図に示すように、光ファイバー１１は液体からなるコア１１ａとその周りの固体のクラッド１１ｂとからなる。コア１１ａを構成する液体として使用するものは必要に応じて選択されるが、例えばクラッド１１ｂの屈折率に応じて、酸化物超微粒子などを分散した水やエチルアルコールなどが、好適に用いられる。クラッド１１ｂの材料としては、光ファイバーの材料として一般的に用いられるプラスチックやガラスなどを用いることができる。この光ファイバー１１は、例えば、液体を中心部に充填した太いプラスチックのプリフォームを形成し、これを引き延ばしたり、中空の光ファイバーの中空部に液体を入れたりすることにより形成することができる。
第１４図は光ファイバー１１と制御信号線１２との交差部の断面図である。第１４図に示すように、制御信号線１２は、光ファイバー１１との交差部において、ディスプレイの表示面側の一部の円周部を除いた光ファイバー１１の外周面に接して凹面で設けられている。第１５図に示すように、制御信号線１２は一対の金属電極１２ａ、１２ｂ間に圧電材料１２ｃをはさんだ圧電素子構造を有し、その下部の金属電極１２ａが光ファイバー１１の外周面に接している。この場合、圧電素子からなる制御信号線１２のクラッド１１ｂと接する面は金属電極１２ａの面であり、高反射率化されているため、コア１１ａ内で散乱される光はこの制御信号線１２が設けられていない部分から外部に効率的に取り出されるようになっている。圧電素子に対する電圧の印加方法としては、例えば、金属電極１２ａ、１２ｂのうちの一方を接地し、他方に正の電圧を印加する方法がある。圧電素子の圧電材料１２ｃとしては、例えば、ＰｂＴｉＯ３、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＺｎＯなどの多結晶またはセラミック材料や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの高分子材料を用いることができる。そして、圧電素子からなる制御信号線１２の形成方法としては、圧電材料１１ｃとして多結晶またはセラミック材料を用いる場合には、光ファイバー１１を並列配置した状態で、適当なマスクを用いてスパッタリング、真空蒸着、スクリーン印刷などにより金属、圧電材料および金属を順次積層形成する方法、圧電材料１２ｃとしてＰＶＤＦを用いる場合には、フィルム状のＰＶＤＦの両面に金属膜を形成した積層フィルムをストライプ状にカットしたものを光ファイバー１１の外周面に接着する方法などを用いることができる。
光ファイバー１１の直径は例えば２００〜３００μｍ、制御信号線１２の幅、したがって圧電素子の幅（光ファイバー１１の長手方向の画素の長さに相当する）は例えば１ｍｍ程度である。光ファイバー１１の長手方向に有効な光散乱を起こさせるためには、光ファイバー１１の長手方向のコア１１ａ内の気泡発生領域の長さＬは〜μｍ程度で足りるため、この１ｍｍ程度という圧電素子の幅は十分に大きな値である。
この第２の実施形態においては、光ファイバー１１の外周面に接している制御信号線１２を構成する圧電素子を振動子として超音波を発生させ、この超音波により液体からなるコア１１ａにキャビテーションを起こさせ、気泡を発生させる。以下その具体的手法について説明する。
圧電素子からなる制御信号線１２を振動子として超音波を発生させたときの様子を第１６図に示す。第１６図に示すように、圧電素子の振動により放射され、光ファイバー１１を伝播する超音波は、この圧電素子の光ファイバー１１との接触面が凹面であることにより、光ファイバー１１の中心軸に近づくにつれて次第に収斂する。このとき、光ファイバー１１の中心軸から距離ｒの位置における音波強度を、Ｉ（ｒ）［Ｗ／ｍ２］とすると、
Ｉ（ｒ）＝Ｉｒｉｍ・２πＲ０Ｌ／２πｒＬ＝（Ｒ０／ｒ）Ｉｒｉｍ
（１）
と表される。ここで、Ｉｒｉｍは光ファイバー１１の最外周面における音波強度［Ｗ／ｍ２］、Ｒ０は光ファイバー１１の外径、Ｌは光ファイバー１１の軸方向の制御信号線１２、すなわち圧電素子である。
第１７図に、光ファイバー１１の長手方向の断面図（縦断面図）で見たときの超音波の伝播の様子を示す。音波は縦波であるので、第１７図に示すように、光ファイバー１１の中心軸に垂直な方向への疎密波が生じ、音圧Ｐ［Ｎ／ｍ２］に対し、音波の強度Ｉ［Ｗ／ｍ２］は
Ｉ＝Ｐ２／ρＣｓ                                  （２）
で与えられる。ここで、ρは液体の密度、Ｃｓは音速である。圧電素子により発生される音波の強度Ｉを独立変数とすると、光ファイバー１１の外周面での音圧Ｐｒｉｍは
Ｐｒｉｍ＝（ＩρＣｓ）１／２                      （３）
のようになる。
いま、この光ファイバー１１が雰囲気圧Ｐａｍｂ（通常は大気圧）のもとに置かれているとすると、キャビテーションが発生するための条件式は、不等式
（Ｐａｍｂ−Ｐ（ｒ））−Ｐ´＜０                  （４）
になる。不等式（４）の左辺は負になりうる。それは、第１８図に示すように、十分に小さいｒに対しては、Ｐ（ｒ）が、Ｐａｍｂ−Ｐ´を上回るからである。
不等式（４）より、圧電素子が発生すべき超音波のパワーを下げるためには、大気圧における飽和蒸気圧の高い液体を用いるのが望ましいことがわかる。
制御信号線１２を構成する圧電素子が発生する超音波のパワーの例を挙げると、ｒ＝１０μｍの位置でキャビテーションが発生して気泡が発生する場合を考えると、Ｒ０＝１００μｍとした場合、一例としてＩ（ｒ）＝０．３Ｗ／ｃｍ２でキャビテーションが発生するから、（Ｉ）式より、Ｉｒｉｍ＝（ｒ／Ｒ０）Ｉ＝（１０／１００）・０．３＝０．０３Ｗ／ｃｍ２となる。
第１９図はキャビテーションにより１区画のコア１１ａ中に発生した気泡１４により、光ファイバー１１を伝播する入射光（レーザ光）が散乱され、光ファイバー１１の表示面側の外部に取り出される様子を示す。これはこの画素が光っている状態に対応する。
圧電素子に印加するパワーを切ると、Ｐ（ｒ）＝０となり、不等式（４）は不成立になり、光は無散乱で光ファイバー１１内を導波される。これは、発光が起きない状態に対応する。
この光のスイッチングにかかる時間は、光ファイバー１１の直径（２Ｒ０）が２００μｍであるとすると、Ｃｓ〜１ｋｍ／ｓであることを考えると、Ｒ０／Ｃｓ〜０．１μｓｅｃのオーダーであり、十分に短い。
第２０図は、不等式（４）の成立する空間長Δの動径方向の分布を示す。不等式（４）が等号になるときのｒの値をｒｃとすると、
（Ｐａｍｂ−Ｐ（ｒｃ））−Ｐ´＝０                （５）
である。ｒｃにおいて、無限小の気泡１４ができはじめる。光ファイバー１１の中央部、すなわちｒ〜０では、Δは超音波の波長λの半分になる。気泡のサイズ（直径）はΔに比例する。
気泡１４の分布はランダムではなく、圧電素子からなる制御信号線１２の光ファイバー１１との接触面の形状を適切に設計することにより、例えば、第２１図に示すように、光ファイバー１１の中心軸に関してほぼ対称な分布を有するように設定することができる。
また、ｒｃは、式（１）〜（４）を見ればわかるとおり、圧電素子からなる制御信号線１２により発生する超音波の音波強度Ｉで制御することができる。
また、キャビテーションにより１区画当たり発生する気泡の数Ｎｃは、Ｌ＝１ｍｍ、ｒｃ＝１００μｍとすると、
Ｎｃ〜Ｌπｒｃ２／λ３〜１ｍｍ・π・（１００μｍ）２／（２０μｍ）３
〜４×１０３／区画・コラム
となる。すなわち、気泡１４は、１区画中に典型的に４０００個位発生する。ただし、νを超音波の振動数とし、λ＝Ｃｓ／ν〜１ｋｍ／ｓ／５０ＭＨｚ〜１０３／５×１０７＝２×１０−５ｍ＝２０μｍとした。
超音波の振動数ν、したがって波長λは、圧電素子への入力電圧により制御することができる。入力電圧に対する超音波の振動数の依存性の一例を第２２図に示す。具体的には、例えば、圧電素子として電圧制御水晶発振器ＶＣＸＯ（Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を用いることにより、入力電圧により出力周波数を制御することができ、したがってこの圧電素子により発生される超音波の波長λを制御することができる。
以上のことを前提として、この第２の実施形態によるニューロンの成長の制御方法について説明する。すなわち、成長させるべきニューロンに応じて、光ファイバー１１および制御信号線１２を選択する。選択された光ファイバー１１の一端に設けられた半導体レーザ１３を駆動してこの半導体レーザ１３からのレーザ光を光ファイバー１１のコア１１ａに入射させるとともに、選択された制御信号線１２によりこの制御信号線１２の一対の金属電極１２ａ、１２ｂ間に所定の電圧を印加して圧電素子を駆動することによりコア１１ａにキャビテーションを起こさせて気泡１４を発生させる。そして、この気泡１４により、各光ファイバー１１に導入された紫外、赤色、緑色、青色、赤外などのレーザ光をそれぞれ散乱させて散乱光が表示面側に取り出されるようにする。このときの光の強度分布、波長分布および空間分布の制御によりニューロンの生育分布を制御することができる。第２３図に二次元面内におけるフォトンデリバリーのパターンの一例を示す。この場合、これらの光により、ニューロンが成長する培養液の分極場を制御することができ、あるいは、ニューロンに直接作用することもできる。
次に、この発明の第３の実施形態によるニューロン結合体装置について説明する。
この第３の実施形態によるニューロン結合体装置においては、ニューロン設定層３によるニューロンの成長の制御方法が第１の実施形態と異なる。すなわち、この第３の実施形態においては、振動場の制御によりニューロンの成長の制御を行う。その例を第２４図に示す。第２４図に示すように、ニューロン設定層３上に、圧電材料層（図示せず）を形成し、その上に、くし歯状電極対２１ａ、２１ｂを、成長させるべきニューロンに応じた配置、大きさなどで形成する。これらのくし歯状電極対２１ａ、２１ｂに適当な電圧を印加することにより、表面音響波（ＳＡＷ）を発生させることができる。そして、これによって発生する振動場の制御により、ニューロンが成長する培養液中のイオンの挙動を制御したりして、ニューロンの軸索の部分的共鳴などを通じてニューロンの生育分布を制御することができ、あるいは、ニューロンの成長への振動場の影響を制御することができる。第２５図に二次元面内における振動場の分布の一例を示す。
次に、この発明の第４の実施形態によるニューロン結合体装置について説明する。
この第４の実施形態によるニューロン結合体装置においては、ニューロン設定層３によるニューロンの成長の制御方法が第１の実施形態と異なる。すなわち、この第４の実施形態においては、体積変化あるいは表面形状の制御によりニューロンの成長の制御を行う。その例を第２６図に示す。第２６図に示すように、ニューロン設定層３上に、例えばゲルのような微小な体積変化物質３１の周囲に四つの電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを配置したものを、成長させるべきニューロンに応じた配置、大きさなどで二次元アレイ状に形成する。これらの電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄに適当な電圧を印加することにより体積変化物質３１に直接体積変化を生じさせることができ、あるいは、電極３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄの電位により培養液中で局所的にｐＨを変化させて体積変化物質３１の膨潤を制御する。そして、この体積変化物質３１の体積変化による表面形状変化によって、ニューロンの生育分布を制御することができ、あるいは、教師信号の効率の変化を測定することができる。第２７図にこれらの体積変化物質３１の二次元アレイによる二次元面内における表面形状の一例を示す。第２７図において、符号３２は直線状のＶ溝、３３は側溝３３ａが付いた直線状のＶ溝、３４は四角状のＶ溝、３５は一群の溝による高次構造を示す。
次に、この発明の第５の実施形態によるニューロン結合体装置について説明する。
第２８図は、この第５の実施形態によるニューロン結合体装置を示す。第２８図に示すように、このニューロン結合体装置においては、ニューロン観測層２の出力端子に接続されたバスライン４が電気バスライン部４ａおよび光バスライン部４ｂからなり、ニューロン設定層３の出力端子に接続されたバスライン５が電気バスライン部５ａおよび光バスライン部５ｂからなる。その他のことは第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
この第５の実施形態によれば、ニューロン結合体層１に加える信号あるいはニューロン結合体層１からの信号として、電気信号のみならず、光信号を用いることもでき、より多様な成長の制御や生育の制御を行うことができる。
次に、この発明の第６の実施形態によるニューロン結合体装置について説明する。
第２９図は、この第６の実施形態によるニューロン結合体装置を示す。第２９図に示すように、このニューロン結合体装置は、第５の実施形態によるニューロン結合体装置が多段に積層されたタンデム構造を有する。
このタンデム構造のニューロン結合体装置によれば、ニューロン系の特性解析をより多様な形で行うことができるとともに、多段のニューロン結合体層１を介して情報処理を行うことにより多様な情報処理を行うことができる。
次に、この発明の第７の実施形態によるニューロン結合体装置について説明する。
この第７の実施形態によるニューロン結合体装置においては、ニューロン結合体層１とニューロン設定層３および／またはニューロン観測層２との結合界面に一種の位相シフトを与える。例えば、第３０図に示すようにニューロン設定層３におけるパッド電極Ｑを配置することにより、位相シフトを与える。
このような位相シフトを与えることにより、ニューロン結合体層１とニューロン設定層３および／またはニューロン観測層２との結合の自由度が増し、より高機能のニューロン結合体装置を実現することができる。
次に、この発明の第８の実施形態によるニューロン結合体装置について説明する。
この第８の実施形態によるニューロン結合体装置においては、第７の実施形態と異なる方法により、ニューロン結合体層１とニューロン設定層３および／またはニューロン観測層２との結合界面に位相シフトを与える。例えば、第３２図に示すようにニューロン設定層３においてパッド電極Ｑを二段に配置することにより位相シフトを与える。この場合、例えば、２層目のニューロンＮへの入力を、１層目のニューロンＮと２段目のパッド電極Ｑとにより制御することができる。
この第８の実施形態によれば、ニューロン結合体層１とニューロン設定層３および／またはニューロン観測層２との結合の自由度がさらに増し、極めて高機能のニューロン結合体装置を実現することができる。
以上、この発明の実施形態につき具体的に説明したが、この発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の第１の実施形態においては、重合体側鎖液晶からなる液晶層ＬＣを用いているが、そのほかに、ニューロンの成長、特に成長方向を制御するものとして、ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  ｃｉｎｎａｍａｔｅ、ポリイミド（ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）などが挙げられる。ポリペプチドを重合体とする場合には、液晶を必ずしも持っていない。しかしながら、アゾベンゼンなどの重合体を光配向させることができる分子を側鎖に持つために偏光した光により重合体の配向を制御することができる。また、ポリイミドは液晶ディスプレイにおいて液晶分子をラビング配向させるためにもっともよく使われている重合体である。このポリイミド膜をあらかじめラビングし、ある特定方向に成長を制御しておき、その後に必要に応じて偏光した光を照射し、ポリイミドによる配向方向を変更することも可能である。
また、基本的には、液晶分子の配向に伴って、ニューロンの成長方向を制御するということが重合体液晶の役目であるから、例えば、アゾ基を有する分子（例えば、ブリリアントイエロー、メチルレッド）などの低分子光異性化材料によりそれに接する液晶層を配向させ、さらにニューロンの成長制御というスキームも選択することができる。この場合に光異性化材料は、蒸着法、スピンコート法などの通常の薄膜作製法で得ることができる。液晶層も同様である。
また、最近の報告では、クマリンを有するポリマーにより光配向が得られていることから、この系のポリマーもこの目的のために有効である（第１８回国際液晶会議２７Ｂ−６−Ｏ）。
以上説明したように、この発明によれば、従来のニューロン系の限界を打破し、各ニューロンからの信号を検出することができ、より詳細な特性解析を行うことができるなど、広範な応用が可能なニューロン結合体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、人間の脳を示す略線図、第２図は、この発明によるニューロン結合体装置を概念的に示す略線図、第３図は、この発明の第１の実施形態によるニューロン結合体装置を示す略線図、第４図は、この発明の第１の実施形態によるニューロン結合体装置におけるニューロン結合体層の構成例を示す断面図、第５図および第６図は、この発明の第１の実施形態によるニューロン結合体装置におけるニューロン観測層の構成を示す断面図、第７図〜第９図は、この発明の第１の実施形態によるニューロン結合体装置におけるニューロン設定層の構成を示す断面図、第１０図〜第１１図は、この発明の第１の実施形態によるニューロン結合体装置におけるニューロン設定層によるニューロンの成長を制御する方法を説明するための略線図、第１２図〜第２３図は、この発明の第２の実施形態によるニューロン結合体装置におけるニューロン設定層によるニューロンの成長を制御する方法を説明するための略線図、第２４図および第２５図は、この発明の第３の実施形態によるニューロン結合体装置におけるニューロン設定層によるニューロンの成長を制御する方法を説明するための略線図、第２６図および第２７図は、この発明の第４の実施形態によるニューロン結合体装置におけるニューロン設定層によるニューロンの成長を制御する方法を説明するための略線図、第２８図は、この発明の第５の実施形態によるニューロン結合体装置を示す略線図、第２９図は、この発明の第６の実施形態によるニューロン結合体装置を示す略線図、第３０図は、この発明の第７の実施形態によるニューロン結合体装置を示す略線図、第３１図は、この発明の第７の実施形態によるニューロン結合体装置を示す略線図である。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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