戦略的创造研究推进事业CREST研究领域研究课题.PDF

戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ 研究領域 「新機能創成に向けた光・光量子科学技術」 研究課題 「バイオメディカルフォトニックLSI の創成」 研究終了報告書 研究期間 平成１９年１０月～平成２５年３月 研究代表者：太田 淳 ＇奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 教授（ §１ 研究実施の概要 ＇１（実施概要 バイオメディカルフォトニックLSI ＇bmp-LSI（とは，CMOS 集積回路技術によって実現する生体 埋め込み型の超小型，マルチファンクショナルセンサチップである．脳内に埋植した bmp-LSI デ バイスによって神経活動などの生体情報を計測し，必要に応じて刺激を行うことができれば，バイ オサイエンス，医療の各分野における新しい技術体系を創出することができると期待される．本研 究では，このようなbmp-LSI の開発を行う光デバイス工学者である研究代表者＇太田グループ（と， 神経科学者＇塩坂グループ（，脳神経外科臨床医＇加藤グループ（とがチームを組み，bmp-LSI 自 体の高性能化，高機能化を行い，更にbmp-LSI のマウスなどの動物への適用を経て最終的には 機能性脳疾患などヒトへの臨床応用を見据えた研究を進めていくことを目的としている．またプロジ ェクトの途中よりマウスとヒトとの間をつなぐためサルを用いた実験を進めるチーム＇岩田グループ（ を加えて，より人臨床応用を意識した研究を進めることとした． 研究項目として，①bmp-LSI の高機能化，②bmp-LSI の生体内動作検証とその完全埋植による 記憶形成メカニズムの解明，③機能的脳疾患医療応用の検討を進めてきた． まず①bmp-LSI 高機能化としては，刺激電極の集積化，高分解能化と自由行動への対応がある． 刺激電極の集積化は，Pt 電極を bmp-LSI 上に形成し，実際に脳内埋植後電気刺激を行い， LTP ＇Long Term Potentiation ；短期記憶（誘発に成功している．これは塩坂グループとの共同 で無し得た成果である． bmp-LSI では，卖一のデバイスとして利用する形態のほか，複数のデバイスをターゲット組織に 分散配置する利用形態をとることができる．それぞれのデバイスは卖独で動作可能であるほか，相 互に通信することで駆動電力や信号伝送を中継したりできるほか，あるデバイスでの計測結果をも とに別のデバイスによる刺激を制御するといった利用も可能となる．またサルの脳表(大脳皮質一 次体性感覚野)を計測ターゲットとするbmp-LSI の開発を進めてきた．本デバイスは岩田グループ と共同で開発したものであり，サル頭部への固定や運用に適したデザインとなっている．現在まで に，ラットでのこのセンサの機能実証を完了しており，今後サルを用いた脳機能イメージングに進 む予定である． 塩坂グループは，記憶形成の現象を化学反応として探索するシステムを構築する一環として， 新たなマーカータンパク質＇プロテアーゼ・ニューロプシン（の発見とその基質分解活性を探知する 基質分子の開発を行った．これによってニューロプシンの活性を蛍光基質の蛍光変化としてバイオ メディカルフォトニック LSI にて観察することが可能となった．これらの結果から記憶獲得時に活性 誘導されるタンパク分解活性について神経可塑性＇記憶や不安など（のマーカーとなり得ることを 証明した．これらの反応を脳内において観察することから，記憶の形成現象を物質の蛍光変化とし て捉えることに成功した．これらの技術は自由行動マウスの脳内分子をリアルタイムにてイメージン グするための基本的技術となった． 加藤グループでは機能的脳疾患医療応用の検討を進め，まずヒト脳スライス標本において，多 点電極誘発電位計測システムを構成し，脳内のネットワークを構成する細胞をリアルタイムで観察 しながら細胞を電機刺激し電気活動を測定する技術を開発した．ついで，ブレイン-コンピュータ インターフェイス＇BCI（への応用をにらみ，脳神経外科患者の脳皮質信号から，企図形成に関与 する皮質領域はごく狭い領域に限られることを明かにした．さらに，BMP-LSI の光照射と受光を利 用して脳手術時の電極定置場所を探る手段として活用するという新たな試みをパーキンソン病に おけ