別紙42 (課程博士(和文))2021年

過気・電子情報工学専攻

ぢ女梨晋署手号・氏名

井戸川槙之介

第 143209 号

指導教員

1月6日

河野剛士

石川靖彦

論文内容の要旨(博士)
博士学位論文名

マイクロニードル電極デバイスによる神経計測の高品質化技術(要旨 1,200字程度)

本研究では、マイクロニードル電極を用いた神経計測技術の高品質化を目的とし、 VLS 結日成長法を用いた低侵襲な刺入型電極を用いて、同軸構造を有したコアキシャル神経市極を枦安し、従来のVLS結晶成長法の欠点であった高い電極インピーダンスを解決するため、si̲MOSFETを用いたソースフォロワ回路、低侵襲化のための薄膜化技術を提案する。さらに、従来の神経信号計
測では有線計測が一般的であり、ケーブルによって動物の行動が阻害、ケーブルからのノイズによって信号の質が悪化することが問題であった。これには、ワイヤレス技術を用いた神經伊口斗測を行うことで解決をすることができるが、従来のワイヤレス計測システムでは、サイズが大きく、また重量も重いと問題がありマウスなどの小動物には搭載することができなかった。そこで
本研究ではさらなる神経計測技術の高品質化としてマウスを対象とした小型で軽量な BI,et。。th技術を用いたワイヤレス計測システムの提案を行う。
はじめに、従来のVLS結晶成長法を用いたマイクロプローブの問題を解決するため、,コアキシヤル牛申経電極を提案し、'コアキシャル'神経電極デバイスを作製した。各種電気的測定を行い、ネ嚇蚤信号の取得能力を確認するため、マウスを用いて'コアキシャノレ,神経示極の細胞外墨位計測を行った。マウスの 1 次体性感覚里予(SIB)にデバイスを刺入し、 LFP ならびにスパイク信号の測定を行った結果刺激に対する応答を測定することができ、極至近距籬での神経信号の同時取枦が確契できた。デバイスを刺入した状態で配線を変更し、シェル電極を参照電極とした局所的差動や幅の実験も行った。実験の結果、同時割唄卵寺に比べ、 SNR で約 1.5 倍、 Firin rate は約 2.5イ立向上した。この結果から'コアキシャノレ'神経電極は質の高い信号計測仂§行えることを実証した。
次に、フィルムMOS型の各種設計、作製を行い各種電気的特性を記載した。また、神経信号の取得能力を確認するため、マウスを用いて細胞外電位計測を行った。結果として、LFPの測定を行い刺激に対する応答を測定tることができ、フィルムMOS を通して神経信号の取イ.に成功した。

最後に、神経活動をワイヤレスで測定ができる Bluetooth LOW Energy (BLE)ベースのワイヤレスニユーロン記録システムを提案、設計、作製を行った(重量く39 島測定値は 15村5灯2mmり。
各種電気的測定を行い、ワイヤレス測定システムの増幅率が十分であり、ノイズも十八に小さいとを確認した。神経信号取得能力を確認するためにマウスを用いた生理実験を行った。急性実
験、慢性実験、 Free・m0Ⅵng実験ともに神経信号を取得することができ、また従来の有線計測シス'^

テムと同程度のノイズで測定を行うことができ、またケーブルノイズが減少したことによる SNRの増加も確認でき、高品質な神経信号取得を行えることを実証した。

別紙41 (課程博士(英文))Date of submission (month day, year):January 6,2021

Depanment ofElectrical and Elect
Stud引ltlD Number

D143209

Supervisors

Takeshikawano

ronic lnformation En牙lneerln宮Pplicant's nameShinnosuke ldogawa

Yasuhikolshikawa

Abst,act (Doctor)
T川e ofThesis

Improvements in neuronalrecmding quality ofmicroneedle・electrode devices

Approx.80o words
In this study, we proposed a coaxial microneedle"electrode with a coaxial
Structure using vLS 仇'ysta1 今1'owth method W北h the aim. ofi皿Provin牙 the quality
Of neural measured techn010晉y.1n order to solve the high electrode impedance that
Was a problem of the conventional vLs crysta1 晉rowth lnethod, we propose aSource f0110wer circuit usin牙 Si・MOSFET and a thin techn010今y for low
Invaslveness
Furthermore, in the conventional neuronal si号nal measurement
牙enera11y wired measurement, and there is a problem that the behavior of theanimalis inhibited by the cable and the si牙nal quality is de牙raded by the noisefrom the cable. This can be solved by lneasurin目 neuronal si牙nals using wirelesstechn010号y, but conventional wireless measurelnent systems have problems with
Iar曾e size and heavy wei今ht, and cannot attach in sma11 animals such as mice
Therefore, in this study, we propose a wireless measurement system using sma11
and li牙htwei今ht Bluetooth techn010牙y for mice as a way to further improve thequality of neuronal measurement techn010目yFirst, we proposed a coaxial cable‑inspired microneedle"electrode device toexplore potentialimprovements in the quality ofthe electrophysi010今icalrecordin号
Uslng

microeleC訂,odes. The fabrication of the coaxial microneedle'electrode wasbased on a vLS・目rown silicon microneedle and the subsequent layer、by、1ayer
formation ofmetal and insulatin牙 layers to realize the core and she11 eleC仇'odes forindividual needles. The neuronal recordin今 Capability of the fabricated electrodedevice was confirmed by conducting muHichannel recording via the core electrodeand the she11electrode usin牙 a mouse in vivo. connectin号 the she11 eleC仇'ode to thereference line of the amplifier yielded a differential recordin今 at the localizedre套ion within the tissue, which resulted in an improvement in terms of sNR andfirin牙 rate in the recordin牙. As demonstrated in this paper, the coaxial
microneedle'electrode wi11 Contribute to improvin牙 eleC仇'ophysi010gical recordin今Sincludin牙 eX Ⅶ'vo and in vitro applications, similar to the in Ⅵ'vo recording,
0丘ering the possibility of recordin号 neuronal activities with hi牙h、quality signals
Next, described various desi牙ns and fabrication process ofthe film type Mos andVarious electrical characteristics. X入7e measured the electrical characteristics. AISO

We confirmed recordin号 Capability of neural signal by mice. As a result, theresponse to the stimulus could be measured as the LFP, and the neural signal

throU牙h the film MOSFET.
Fina11y, eleC仇'ophysi010牙ical recordin宮, which has made si牙nificant contributions
to the field of neuroscience, can be improved in terms of si今nal quality,invasiveness, and use of cables. AlthoU牙h wireless recording can meet theserequirements, conventional wireless systems are relatively heavy and bulky for
Use in sma11 animals such as mice. This study developed Bluetooth low、ener目y(BLE)、based wireless neuronal recordin牙 System wei牙hin号く3.9 牙 and measuring
15 × 15 × 12 mm3, W北h easy assembly,牙ood versatility, and hi今h signal quality forrecordings. Both acute and chronic in vivo recordin牙S of mice confirm the wirelessrecording capabilities of the system, with improvements in terms of the power

Spectral density (PSD) and si牙nal'to・noise ratio (SNR) compared with wired
recordin牙. Because of its low weight and compactness, the BLE、based wirelessneuronalrecordin晉 System can be used not only in mice but also in other animals,Such as rats and m.onkeys, thus expandin牙 the application of electrophysi010牙ical
recordin今S in neuroscience