立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第27号) 2018

脳と機械の双方向通信を実現する多点光刺激可能な剣山状シリコン神経プローブの開発
Development of multi- shank Si neural probe array with optical stimulation for Brain- Machine- Interface
2167008

研究代表者

東北大学大学院医工学研究科

博士後期課程原島

共同研究者

東北大学大学院医工学研究科

教

田中(助成金受領者)
授卓也
徹点を有している。これまで光導波路の作製に半[研 究 の 目 的］

導体微細加工技術を用いた報告が多数なされて近年の計測・微細加工技術の発展に伴い，脳いるが，それらは光の照射方向が光導波路の方と機械を接続する Brain-Machine-Interface の向と同じ，つまり神経プローブの刺入方向と同研究が大きく進展しており，脳の神経活動を計じ向きに光照射される。大脳皮質のような層状測することでコンピュータや機械の義手を操作を成す部位への神経プローブ刺入と光刺激を試することが実現されている。人間の認識や意識みた場合に複数の層を同時に光刺激してしまうに対して遅れることなく，また感覚を正確に読ことが懸念される。

み取るには神経活動の高速かつ高分解能での計そこで，我々はシリコンの結晶異方性を用い測が求められる。さらに，脳の感覚野を適切にて光導波路先端に 55°のミラー構造を作製する

刺激することで感覚の再生も可能になることがことで，光照射方向をシリコン神経プローブ刺期待されている。本研究では，多点光刺激機構入方向とほぼ垂直にすることが可能なシリコンと多点記録電極を三次元的に集積した剣山状シ神経プローブを作製した。図 1 に作製した反射リコン神経プローブの開発を行い，脳と機械のミラー集積シリコン神経プローブを示す。本プ双方向通信の実現に貢献することを目的とする。

ローブは幅 150 μm のプローブ上に 16 点の記録電極と 8 本の光導波路を集積している。反射
ミラー部分以外の光導波路上を遮光金属で覆う[研究内容，成果］

ことで，光の漏れを塞げるため，正確な光照射が可能になる。光導波路先端には 55°のミラー

1．ミラー付き光導波路集積 Si 神経プローブ
近年のオプトジェネティクス技術によって可構造が作製されておりミラー構造によって光の能となった光刺激は，従来の電気や薬物を用い照射方向の変化を，アガロースを用いた光照射た方法よりも精密に選択性を持った神経刺激が実験で確認した。また，記録電極の平均イン実現でき，大きな注目を集めている。光刺激でピーダンスは 1000 Hz 時に 1.7 MΩ であり，神は様々な方法が提案されているが，神経プロー

経活動を記録するのに十分な性能を満たしていブにアセンブリされた複数の光導波路と外部光ることも確認できた。

源を使って神経細胞を光刺激する手法は，精密な光刺激が可能，光源の切り替えが容易等の利― 1 ―立石科学技術振興財団

図2
図1

応力センサ集積シリコン神経プローブ

ミラー付き光導波路集積 Si 神経プローブ

2．応力センサ集積 Si 神経プローブ
シリコン神経プローブは半導体微細加工技術の伸展に伴い様々な機構の集積が可能になった。
しかし，脆性なシリコンを使用しているため刺入時異常が生じると破損の恐れがある。そこで，応力センサをシリコン神経プローブに集積することで，刺入時にシリコン神経プローブに加わる力をモニタリングし，刺入に異常があった際に脆性な神経プローブが破損する前に刺入を停止し，破損を防ぐことが可能になる。図 2 に作製した応力センサ集積シリコン神経プローブを示す。

図3

刺入による抵抗値変化

応力のセンシングにはピエゾ抵抗効果を利用する。ピエゾ抵抗効果は荷重に対して金属や半に刺入による抵抗値の変化を示す。実線はセン導体の電気抵抗値が変化する現象であり，半導サ部の抵抗値を，破線はプローブに加わる力を体の抵抗値測定により変形量の変化を検出する

外部ロードセルで計測した結果を示している。

ことができる。本応力センサは刺入時に生じる

図 3 中の“a〜f”はプローブ刺入時の特徴的な力をせん断応力として受けるように設計されて状態を示している。
“b”はプローブ先端がアおり，小さな力も感度良く連続的に検出するこ

ガロース表面を貫通したことを示しており，アとができる。

ガロースの変形が戻ることによってプローブに作製した応力センサを用いて異なる硬さの 2加わる力が減少していることが分かる。プロー層で構成されたアガロースへのプローブ刺入をブの刺入停止を示している“e”でも同様のこ行い，その間の抵抗値の変化を測定した。図 3とが発生している。抵抗値変化がロードセルに― 2 ―Tateisi Science and Technology Foundation

よって計測されたプローブに加わる力と一致し元的に記録電極を配置できる。13 電極を搭載ているため，作製したセンサはプローブ刺入時したシャンクを 4 本有する単層プローブ 3 個をの特徴的な現象のモニタリングを達成したこと

2 つのスペーサで積層することで，12 本のシャを確認した。

ンクと 156 の記録電極を三次元的に配置できている。
積層後に TMAH を用いたシリコンの異方性

3．三次元積層 Si 神経プローブ
立体的かつ複雑な構造を有している脳内の神エッチングを行うことによって，シリコン神経経回路網の研究では，三次元的に高密度配置さプローブを低侵襲化させることができる。図 5れた記録電極を有する神経プローブを用いた神に低侵襲化前後の三次元積層シリコン神経プ経活動の解析が有効である。これまでに記録点ローブを示す。異方性エッチングによってシャを三次元的に配置した神経プローブはいくつか

ンクの断面形状を四角形から三角形にして断面報告されているが，作製方法による制約から 1積を減らし，刺入後の脳神経の圧迫を低減して本のプローブシャンクに対して 1 点の記録電極いる。また，シャンク先端を尖鋭化することでしか搭載できないものや，複数の記録電極を搭

刺入に必要な力や脳の変形を減らしている。

載していても三次元配置のために機械的なはめ次に三次元積層シリコン神経プローブの刺入込み構造を必要とするものなど，電極密度や加特性について述べる。刺入特性の測定のために工精度に課題がある。

以下の手順でプローブを脳を模したアガロース我々は高い電極密度と加工精度を有する三次(0.6 wt%) へ刺入した。

元神経活動記録のための積層シリコン神経プ1．プローブ先端がアガロースの表面に接触ローブアレイを開発した。図 4 に作製した積層して 0.1 mN の力が加わまで 5 μm/s の速シリコン神経プローブアレイを示す。このシリ度で降下

コン神経プローブアレイは多数の記録電極を搭

2．10,100,1000 μm/s の 速 度 で 2 mm 降 下(刺入)載した複数のシャンクを有する単層プローブを，3．180 sスペーサを介して熱圧着で積層することで三次静止4．10 μm/s の速度で上昇 (引抜)上記の手順 2〜4 の間にプローブへ加わる力をプローブに取り付けたロードセルで測定した。

図4

三次元積層シリコン神経プローブ

図5― 3 ―

シリコン神経プローブの低侵襲化

立石科学技術振興財団

三次元積層などの種々の要素技術を確立させてきた。今後，これらの要素技術を組み合わせて多点光刺激機構と多点記録電極を三次元的に集積した剣山状シリコン神経プローブを開発することで，脳への情報入力の仕組みと三次元的な神経回路網が解明されていくだろう。しかし，本研究の三次元積層シリコン神経プローブには長期埋植時の取得信号劣化の知見が不足している。そのため，今後は長期埋植時の取得信号を評価する必要がある。
図6

刺入特性[成果の発表，論文等］(謝辞有)

図 6 に刺入特性を示す。実線が低侵襲化した三① Takuya Harashima, Takumi Morikawa, Hisashi

次元積層シリコン神経プローブ，破線が低侵襲

Kino, Takafumi Fukushima and Tetsu Tanaka :化していない三次元積層シリコン神経プローブ

Development of Si Neural Probe with Piezoresistiveを示している。
図 6 より，10,100,1000 μm/s の全ての刺入速度で尖鋭化による刺入特性の向上が確認された。
低侵襲化させた三次元積層シリコン神経プ
ローブをマウスの硬膜上よりマニュピュレータ

Force Sensor for Insertion Force Monitoring,
Extended Abstracts of the 2016 International
Conference on Solid State Devices and Materials, pp.
409-410, 2016
② Takuya Harashima, Takumi Morikawa, Hisashi
Kino, Takafumi Fukushima and Tetsu Tanaka :Development of Si neural probe with piezoresistiveを用いて約 1000 μm/s で刺入したところ，硬force sensor for minimally invasive and precise

膜を貫通して脳への刺入を達成した。この結果

monitoring of insertion forces, Japanese Journal ofより，本神経プローブを用いることで三次元的な神経活動の解析を達成できることが確認された。

Applied Physics 56, 04CM04, 2017
③ Takuya Harashima, Takumi Morikawa, Hisashi
Kino, Takafumi Fukushima, Norihiro Katayama andTetsu Tanaka : Development of Vertically-Stacked
Multi-Shank Si Neural Probe Array with Sharpened
Tip for Cubic Spatial Recording, Extended Ab-[今後の研究の方向性，課題］

stracts of the 2017 International Conference on Solid
State Devices and Materials, pp. 269-270, 2017

本研究では脳と機械の双方向通信の実現に貢献することを目的として光導波路，応力センサ，― 4 ―