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Frontier Sciences

環境学研究系
人類を取り巻く環境を自然・文化・社会の観点から解析して、将来の人類のための政策立案、技術開発に必要な教育研究を行います。

人類を取り巻く環境を自然・文化・社会の観点から解析して、将来の人類のための政策立案、技術開発に必要な教育研究を行います。

http://neuron.k.u-tokyo.ac.jp/

マイクロ加工技術を利用して生体 機能を探る

大 友 順 一 郎 准教授

環境システム学専攻
http://www.oshimalab.k.u-tokyo.ac.jp/

エネルギー変換デバイスの創成 −メソスケール構造化の視点からの機能創出−

物にとって、環境とのインの信号を計測する電極を多数集まうでしょうか。シナプス伝達の生医療において、鍵となる技術のターフェイスは感覚入力積化するなど、様々な方法が考え効率がその活動履歴に依存して１つは細胞分化過程の計測と制と運動出力の２つです。視覚、聴られます。図は、この技術を使っ変化する活動依存性 -activity-

覚をはじめとする感覚器からの入てシャーレの中に 3 個のニューロ

dependent- の可塑性がこのような力情報は神経インパルスの時空ンから成るシンプルな神経経路系でも発現することがわかってき

間的なパターンとして表現され、を形成した例と、64 個のマイクロ生体情報処理中枢としての脳で

生

環境学研究系

神 保 泰 彦 教授

人間環境学専攻

炭素・脱石油社会の構

触媒能の選別（触媒材料の探索）駆動力として材料・デバイスの開築はグローバルレベルでと電極構造（メソスケール構造化）発を進めています。この検討から、御です。様々な組織の細胞に分のコンセンサスであり、従来の発の設計が極めて重要です。電解中温域（〜 250℃）で高プロトン伝化する能力を有する幹細胞を目的

電システムも、省エネルギー技術

質についても、イオン輸送能に見導率を安定に保持する電解質材とする組織の細胞に効率良く分や再生可能エネルギーを取り込み合った材料の開発が重要であり、料を見いだすことができました（図ました。図では繰り返し刺激の前化させる技術の確立が求められつつ、急速に再構築が検討され後述するようにメソスケール構造）。なお、近 年、
1（1. CsH2PO4 ）電極を集積化した基板上にラッ後で神経回路応答が強化されたています。細胞の分化を促し、そる時代になりました。エネルギー化もイオン伝導度の向上に寄与し中温域でのプロトン伝導体の研

低の認知・判断を経て、外界に働ト大脳皮質の細胞によるネットワ

場合（ potentiation ）と抑制されたの結果を経時的に観測する手法

変換デバイスの創成は、益々そのます。さて、電解質材料の選択究が他の研究者を含め活発になきかける筋肉の動きを制御するとークを作り、その可塑性を観測し場合（depression ）の 2 つを示しについて基礎的な検討を進めて意義を増しています。例として、燃によって燃料電池の作動温度がりました。その材料群も図 1に示

図 3：新型燃料電池の単セル写真

いう過程をたどります。この認知・た結果を示しています。シャーレています。繰り返し経験した入力います。神経細胞と心筋細胞に料電池、太陽電池、二次電池と決定されます。セラミクス系電解します。目的駆動型の材料研究しますが、プロトン伝導体とシリ判断というプロセスに関わる脳内の中のニューロンは、基板表面パターンに対しては速く正確な応分化する能力を持つ細胞を使っいった電池技術があります。これ質を用いた場合では、作動温度の一例です。

カ界面でのメソスケールでの特異の情報処理回路が周囲環境からに接着して突起を伸ばします。そ答を発生し、逆に経験したパターて、神経回路形成が起こる時にらの高機能化、すなわち発電性は 800℃程度であり、有機高分見いだしたプロトン伝導体をメな効果に基づく現象です。これらの入力情報に依存して柔軟に変のため、場所によっ能や蓄電能の高効率実現のため子系電解質では、作動温度は室ソ多孔質体に充填したところ、プの電解質材料を用いた単セルを化するという特性－可塑性－が生て接着性に違いがには、新材料の開発に加えて、温〜 80℃程度です。仮に、そのロトン伝導率の大幅な向上が観作製し（図 3）、発電性能を検討

体情報処理システムの大きな特あると、接着性の各部品の構造化技術が鍵を握り中間温度域（150 〜 500℃）で作測されました。図 2に垂直配向型したところ、特にアルコール類を徴です。

高い部分に局在すます。特に、機能発現に向けては動する電解質があると、高温場にのメソ多孔質薄膜の構造を示しま

直接燃料に用いた場合では、従生体情報処理システムとしてのることになります。こメソスケールでの構造化が有効よる電池の劣化を防止しつつ、かす（図は動的モンテカルロシミュレ

来型と比較して高い特性が得ら

脳神経系を構成する細胞の主役の現象を利用してです。加えて、実社会の要請事つ高効率発電が可能な燃料電池ーションによる構造形成過程のれました。このように、有効な要はニューロンです。直径約 10μm

細胞非接着性の表項を機能創出にフィードバックするが実現できます。その観点から高計算結果）。実際にこの構造を有請事項の抽出→材料開発→構の細胞体から多数の突起を長く面に直 径 100μm視点も必要です。

いプロトン伝導度を有する材料開するメソ多孔質シリカ薄膜（細孔造化のスキームにより、新規なエ伸ばし、シナプス結合を介して程度の円形の細胞燃料電池を例にとって説明しま発を行いました。通常は、新しい径：数 nm 〜数十 nm）を合成し、ネルギー変換デバイスの提案が他のニューロンから信号を受け取接着性領域を設けす。燃料電池の主な要素となる部機能材料を開発し、その用途をプロトン伝導体である CsHSO4 を可能です。今後は、ミクロからマり、他のニューロンに伝達します。て 3 個のニューロ材は「電極」と「電解質」です。

探るわけですが、それを逆手に充填したところ、数百〜千倍におクロまでのスケールをつなぐ機能・

1 つの細胞が多数の入力を統合ンを配置した結果、電極は、水素、炭化水素、酸素見ることで、出現機能に対する要よぶプロトン伝導率の向上が実構造獲得の方法論の一般化も重して出力を決める信号処理素子

図のようなネットワといった分子種の反応場であり、請事項を固定し、いわばそれを現されました。理由の詳細は割愛

要な課題です。

として動作し、かつ多数のニューークが得られたとロンが協調してふるまうことが生いうわけです。

マイクロ加工技術を利用した生体情報処理系の研究－神経工学－体の高度な機能実現の鍵である

マイクロ電極を使ってニューロンと著しく異なる入力に対してはどのような電気信号が発生していと考えられています。
「個々のニュン群が発生する電気信号を計測

明確な応答を示さなくなるというるかを調べる、拍動する心筋細ーロンが見える状態でシンプルなすると共に「電気刺激」を行なう傾向があり、生物が周囲環境の胞とそのリズムを制御する自律神ネットワークを人為的に構成し、ことができます。電極から注入す状況に適応するプロセスを細胞レ経細胞を結合させるなどの試み

回路内の信号伝搬過程を調べる電流に反応した電極近傍のニベルの現象として観測している可を行なっています。以上述べた

る」という視点から研究を進めてューロンが活動電位を発生し、能性があると考えています。

基礎・応用両面からの「工学―それがシナプス結合を通じてネッ

マイクロ加工技術の生体システ

特にマイクロ加工―技術応用にマイクロ加工技術の立場から見トワーク全体に広がっていくといムへの応用は、現象を見ることに基づく神経系の研究」を神経工ると、10μm というサイズは決しうことになります。ここで特定のとどまらず、診断・治療等医療分学と呼んでいます。て小さなものではありません。ニ

電気刺激パターンを繰り返し加野への発展も可能であると考えてューロンの位置を制御したり、そえると神経回路はどのようにふるいます。最近注目を集めている再います。

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創 成 Vol.15

図 1：中温域における新電解質材料（プロトン伝導体）

図 2：垂直配向型メソ多孔質薄膜の構造

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