特開 2024-41282 神経活動計測デバイスとその製造方法及び計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024041282

(43)【公開日】2024-03-27

(54)【発明の名称】神経活動計測デバイスとその製造方法及び計測方法

(51)【国際特許分類】

   A61B 5/294 20210101AFI20240319BHJP

   A61B 5/262 20210101ALI20240319BHJP

   A61B 5/311 20210101ALI20240319BHJP

   A61B 5/388 20210101ALI20240319BHJP

   A61B 5/263 20210101ALI20240319BHJP

【ＦＩ】

A61B5/294

A61B5/262

A61B5/311

A61B5/388

A61B5/263

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022145999

(22)【出願日】2022-09-14

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 発行者名 公益財団法人 応用物理学会 刊行物名 第８３回応用物理学会 秋季学術講演会 講演予稿集 ページ １１－４６０ 発行年月日 令和４年８月２６日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和２年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「新規極微細神経電極を用いた測定困難部位からの長期ｉｎ ｖｉｖｏ神経活動計測技術の確立－自由行動下の脊髄後角からの記録－」委託研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】305060567

【氏名又は名称】国立大学法人富山大学

(71)【出願人】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(71)【出願人】

【識別番号】506218664

【氏名又は名称】公立大学法人名古屋市立大学

(74)【代理人】

【識別番号】100095430

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 勲

(72)【発明者】

【氏名】歌 大介

(72)【発明者】

【氏名】久米 利明

(72)【発明者】

【氏名】河野 剛士

(72)【発明者】

【氏名】山下 幸司

(72)【発明者】

【氏名】清水 快季

(72)【発明者】

【氏名】大澤 匡弘

【テーマコード（参考）】

4C127

【Ｆターム（参考）】

4C127AA04

4C127JJ03

4C127LL07

4C127LL08

(57)【要約】

【課題】脊髄後角浅層において正確かつ容易に神経活動を計測することができる神経活動計測デバイスとその製造方法及び計測方法を提供する。
【解決手段】フィルム基板１２上に形成された導電体のリード部１４と、リード部１４の端部に、リード部１４と交差する方向に結晶成長した半導体による芯２０ｂから成るプローブ２０を有する。プローブ２０の先端部２０ａの直径が５μｍ以下であり、先端部２０ａに測定電極２２ａを備え、測定電極２２ａとリード部１４が電気的に接続している。フィルム基板１２の表面からプローブ２０の先端２１までの長さが、計測対象の動物の脊髄Ｓにプローブ２０を穿刺した状態で、脊髄後角浅層Ｐ１に先端部２０ａが位置する長さである。プローブ２０の基端部２０ｃが位置した部分のフィルム基板１２が、脊髄後角浅層Ｐ１にプローブ２０を穿刺する際のストッパになる。プローブ２０は、ＶＬＳ成長により形成したシリコン単結晶半導体の芯２０ｂを有し、表面に金属薄膜を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フィルム基板と、フィルム基板上に形成された導電体のリード部と、このリード部の端部に前記リード部と交差する方向に結晶成長させた半導体によるプローブが形成され、
前記プローブは、その先端部の直径が５μｍ以下に形成されて前記リード部と電気的に接続され、基端から先端までの長さが、計測対象の動物の脊髄に前記プローブを穿刺した状態で、脊髄後角浅層に前記先端部が位置する長さに形成され、
前記プローブの基端部が位置した前記フィルム基板が、前記脊髄後角浅層に前記プローブを穿刺する際のストッパになることを特徴とする神経活動計測デバイス。

【請求項2】

前記フィルム基板上に、前記リード部と、シリコン単結晶半導体を芯に有し表面に金属薄膜が形成された前記プローブとが一体的に形成され、前記フィルム基板表面と前記プローブ先端との距離が、前記脊髄後角浅層の深さに設定されている請求項１記載の神経活動計測デバイス。

【請求項3】

フィルム基板と、このフィルム基板に形成された導電体のリード部と、このリード部の端部に前記リード部から突出する方向に結晶成長させた半導体によって形成されるプローブとを備え、前記プローブを計測対象の動物の脊髄に穿刺することにより、前記動物の脊髄後角浅層に前記プローブの先端を到達させて神経活動を計測するデバイスであって、
前記リード部は、基端部がコンタクトパッドに連続され、このコンタクトパッドを除く部分が、前記フィルム基板の表裏を構成する樹脂によって絶縁されて成るものであり、
前記プローブは、先端部の直径が５μｍ以下に形成され、かつ表面が導電材料によって被覆されるとともに、基端側において前記リード部の先端と電気的に接続されるものであり、
前記プローブの導電材料は、前記先端部を除く全体表面が樹脂被覆されて絶縁されており、
前記フィルム基板表面のうちの前記プローブの基端の周辺には、そのプローブの前記導電材料を被覆する樹脂によって環状のストッパが、前記フィルム基板表面から隆起させた状態で形成されていることを特徴とする神経活動計測デバイス。

【請求項4】

半導体単結晶を結晶成長させて先端部の断面の直径が５μｍ以下のプローブを形成し、前記プローブの基端に、前記プローブの長手方向と交差する方向にフィルム基板を形成し、このフィルム基板上に導電体のリード部を形成し、前記リード部と前記プローブの前記先端部とを電気的に接続し、結晶成長させる前記半導体の前記プローブの先端から前記フィルム基板までの長さを、計測対象の動物の脊髄後角浅層に前記先端部が位置する長さに形成することを特徴とする神経活動計測デバイスの製造方法。

【請求項5】

前記半導体単結晶の前記プローブは、ＶＬＳ成長により形成し、その後前記プローブの長手方向と交差する方向にフィルム基板を形成する請求項４記載の神経活動計測デバイスの製造方法。

【請求項6】

フィルム基板上に形成された導電体のリード部と、このリード部の端部に前記リード部と交差する方向に結晶成長して先端部の直径が５μｍ以下に形成された半導体の芯を有するプローブとを用いて、
計測対象の動物の脊髄に前記プローブを穿刺し、前記プローブの基端部が位置した前記フィルム基板が前記脊髄の表面に接するまで前記プローブを挿入し、前記脊髄の脊髄後角浅層の神経活動を、前記プローブと前記リード部を介して計測することを特徴とする神経活動計測方法。

【請求項7】

前記フィルム基板上に、シリコン単結晶半導体を芯に有する前記プローブが一体的に設けられ、前記プローブを前記脊髄後角浅層に穿刺し、前記フィルム基板を脊髄に沿って配置して前記脊髄後角浅層の神経活動を外部から計測する請求項６記載の神経活動計測方法。

【請求項8】

前記プローブと前記フィルム基板を前記計測対象の動物の脊髄に沿って埋植し、前記脊髄後角浅層の神経活動を継続的に計測する請求項６又は７記載の神経活動計測方法。

【請求項9】

前記プローブと前記フィルム基板を前記計測対象の動物の前記脊髄に沿って埋植し、前記リード部を経た出力を処理する処理回路と、前記処理回路の出力を送信する無線回路と、前記各回路の電源とを一体に備えた計測装置を、前記計測対象の動物に取り付けて、前記脊髄後角浅層の神経活動を、前記無線回路からの無線信号により継続的に計測する請求項８記載の神経活動計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、脊髄後角浅層に穿刺して、神経活動における電位を計測し神経活動記録等を取るための神経活動計測デバイスとその製造方法及び計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

痛みは生体防御に必要不可欠な感覚であるが、必要以上の痛みや持続する痛み（慢性疼痛）は患者に苦痛をもたらし生活の質（QOL）の著しい低下を招く。特に慢性疼痛は発症メカニズムが未だ解明されておらず、有効な治療法・治療薬も確立されていないことからその開発が急務となっている。これまでの研究で、慢性疼痛時に脊髄後角浅層の神経伝達が亢進していることが示唆されている。

【0003】

痛みは神経を通し、脊髄を経て脳に伝達されるものであり、痛みの情報が最初に伝達される脊髄での神経活動を計測することにより、痛みを抑制する方法を見出せる可能性がある。そこで、脊髄の神経活動を検知するために、脊髄に電極を穿刺して計測する方法があるが、従来の電極（ガラス電極、タングステン電極など）では脊髄への侵襲性が高いものであった。その他、低侵襲性のプローブ刺入デバイスにより神経活動を計測する手段としては、特許文献１，２に開示されているように、脳の神経活動を低侵襲で計測するプローブ刺入デバイスが提案されている。

【0004】

特許文献１に開示されたプローブ刺入デバイスは、測定対象である被験動物等の内部に挿入し、被験動物の体内にある刺入対象である脳や臓器等にプローブを刺入することにより、脳波をはじめとする電気信号を取得するのに用いられる。このプローブ刺入デバイスは、平板形状を呈する可撓性フィルムと、可撓性フィルムから突出して形成されたプローブと、プローブの全体を被覆する被覆体とを備えている。プローブは、可撓性フィルムに支持され、可撓性フィルムから突出して形成された構造体である。プローブは、可撓性フィルム内に埋設された支持材によって可撓性フィルムに固定され、導体によって被覆されている。

【0005】

特許文献２に開示されたプローブ刺入デバイスは、基材と、基材から突出して形成された低侵襲のプローブとを有し、コネクタとプローブとが略平行に延びているものや、プローブが、コネクタの伸長方向に対して略垂直に伸長するよう形成されたものでもよい。プローブを支持する基材は、例えば、半導体シリコン等とすることができ、シリコンウェハを１ｍｍ×１ｍｍのシリコンブロックに切断したものを用いることができる。プローブは、基材に支持され、基材から突出して形成された構造体であり、導体によって被覆されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１９－１９５５１１号公報

【特許文献2】特開２０２０－９６７２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記特許文献１，２に開示されたようなプローブ刺入デバイスを用いた既存の計測技術では、痛みの伝達に重要である脊髄後角（とりわけ脊髄後角浅層）におけるニューロンの機能的変化を正確に記録することが極めて難しく、プローブの穿刺位置を正確に特定して穿刺する熟練の技術が必要であり、その習得に長期間要することが課題となっている。また、穿刺の深さを正確に制御して、微小なプローブを製造することが難しく、上記特許文献１，２に開示されたようなプローブは、構造が複雑で比較的大型のものである。従って、脊髄後角浅層に正確に穿刺して、in vivoで長期間計測可能な小型で扱いやすいデバイスが求められていた。

【0008】

この発明は、上記従来の背景技術に鑑みて成されたもので、脊髄後角浅層において正確かつ容易に神経活動を計測し記録することができる神経活動計測デバイスとその製造方法及び計測方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この発明は、フィルム基板と、フィルム基板上に形成された導電体のリード部と、このリード部の端部に前記リード部と交差する方向に結晶成長した半導体によるプローブが形成され、前記プローブは、その先端部の直径が５μｍ以下に形成されて前記リード部と電気的に接続され、基端から先端までの長さが、計測対象の動物の脊髄に前記プローブを穿刺した状態で、脊髄後角浅層に前記先端部が位置する長さに形成され、前記プローブの基端部が位置した前記フィルム基板が、前記脊髄後角浅層に前記プローブを穿刺する際のストッパになる神経活動計測デバイスである。

【0010】

前記フィルム基板上に、前記リード部とシリコン単結晶半導体を芯に有する前記プローブとが一体的に形成され、前記フィルム基板表面と前記プローブ先端との距離が、前記脊髄後角浅層の深さに設定されているものである。

【0011】

またこの発明は、フィルム基板と、このフィルム基板に形成された導電体のリード部と、このリード部の端部に前記リード部から突出する方向に結晶成長させた半導体によって形成されるプローブとを備え、前記プローブを計測対象の動物の脊髄に穿刺することにより、前記動物の脊髄後角浅層に前記プローブの先端を到達させて神経活動を計測するデバイスであって、前記リード部は、基端部がコンタクトパッドに連続され、このコンタクトパッドを除く部分が、前記フィルム基板の表裏を構成する樹脂によって絶縁されて成るものであり、前記プローブは、先端部の直径が５μｍ以下に形成され、かつ表面が導電材料によって被覆されるとともに、基端側において前記リード部の先端と電気的に接続されるものであり、前記プローブの導電材料は、前記先端部を除く全体表面が樹脂被覆されて絶縁されており、前記フィルム基板表面のうちの前記プローブの基端の周辺には、そのプローブの前記導電材料を被覆する樹脂によって環状のストッパが、前記フィルム基板表面から隆起させた状態で形成されている神経活動計測デバイスである。

【0012】

またこの発明は、半導体単結晶を結晶成長させて先端部の断面の直径が５μｍ以下のプローブを形成し、前記プローブの基端に、前記プローブの長手方向と交差する方向にフィルム基板を形成し、このフィルム基板上に導電体のリード部を形成し、前記リード部と前記プローブの前記先端部とを電気的に接続し、結晶成長させる半導体の前記プローブの先端から前記フィルム基板までの長さを、計測対象の動物の脊髄後角浅層に前記先端部が位置する長さに形成する神経活動計測デバイスの製造方法である。

【0013】

前記半導体単結晶の前記プローブは、ＶＬＳ成長により形成し、その後前記プローブの長手方向と交差する方向にフィルム基板を形成するものである。

【0014】

またこの発明は、フィルム基板上に形成された導電体のリード部と、このリード部の端部に前記リード部と交差する方向に結晶成長して先端部の直径が５μｍ以下に形成された半導体の芯を有するプローブとを用いて、計測対象の動物の脊髄に前記プローブを穿刺し、前記プローブの基端部が位置した前記フィルム基板が前記脊髄の表面に接するまで前記プローブを挿入し、前記脊髄の脊髄後角浅層の神経活動を、前記プローブと前記リード部を介して計測する神経活動計測方法である。

【0015】

前記フィルム基板上に、シリコン単結晶半導体を芯に有する前記プローブが一体的に設けられ、前記プローブを前記脊髄後角浅層に穿刺し、前記フィルム基板を脊髄に沿って配置して前記脊髄後角浅層の神経活動を外部から計測するものである。

【0016】

特に、前記プローブと前記フィルム基板を前記計測対象の動物の脊髄に沿って埋植し、前記脊髄後角浅層の神経活動を継続的に計測するものである。

【0017】

さらに、前記プローブと前記フィルム基板を、前記計測対象の動物の前記前記脊髄に沿って埋植し、前記リード部を経た出力を処理する処理回路と、前記処理回路の出力を送信する無線回路と、前記各回路の電源とを一体に備えた計測装置を、前記計測対象の動物に取り付けて、前記脊髄後角浅層の神経活動を、前記無線回路からの無線信号により継続的に計測するものである。

【発明の効果】

【0018】

この発明の神経活動計測デバイスとその製造方法及び計測方法によれば、脊髄後角浅層における神経活動を低侵襲で容易且つ正確に計測し、長期間継続的に記録することができる。従って、これまで熟練の技術が必要であった脊髄後角浅層における神経活動の測定を比較的容易に可能となり、より多くの研究者による計測が可能となり、痛み等の神経活動のメカニズムの解明や低減に大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】この発明の一実施形態の神経活動計測デバイスの斜視図（ａ）と、長手方向の中心の縦断面図（ｂ）である。

【図2】図１のＡ－Ａ断面図である。

【図3】この発明の一実施形態の神経活動計測デバイスの各製造工程を示す各々の斜視図である。

【図4】この発明の一実施形態の神経活動計測デバイスの次の各製造工程を示す各々の斜視図である。

【図5】この発明の動物実験例を示す模式図である。

【図6】この発明の神経活動計測デバイスを利用する脊髄の断面図と、神経活動計測デバイスを脊髄後角浅層に穿刺した状態の脊髄断面を示す部分拡大断面図である。

【図7】この発明の一実施例の神経活動計測デバイスの処理回路の基板を含む計測装置の全体画像（ａ）と、計測装置の先端部の神経活動計測デバイスを示す拡大写真（ｂ）である。

【図8】図７（ｂ）の画像のプローブ部分全体のＳＥＭ画像（ａ）、プローブ先端部のＳＥＭ画像（ｂ）、プローブ基端部のＳＥＭ画像（ｃ）である。

【図9】従来のタングステン電極で脊髄後角浅層の神経活動を記録した際の波形例（ａ）と、その矢印位置の拡大図（ｂ）、及び従来のタングステン電極を用いた、皮膚へのフォンフライフィラメント（vFF 1.0g）刺激した際の波形例（ｃ）である。

【図10】この発明の一実施例の神経活動計測デバイスで脊髄後角浅層の神経活動を記録した際の波形例（ａ）と、その矢印位置の拡大図（ｂ）、及びこの発明の一実施例の神経活動計測デバイスを用いた、皮膚へのフォンフライフィラメント（vFF 1.0g）刺激した際の波形例（ｃ）である。

【図11】In vivo記録法を用いた、従来のタングステン電極とこの発明の一実施例の神経活動計測デバイス（新規微細電極）を使用して、脊髄後角浅層細胞から得られた脊髄後角浅層細胞での各々の自発発火頻度を示すグラフである。

【図12】In vivo記録法を用いた、従来のタングステン電極とこの発明の一実施例の神経活動計測デバイス（新規微細電極）を使用して、脊髄後角浅層細胞での機械的痛み刺激に対する各々の発火頻度を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、この発明の一実施形態の神経活動計測デバイスとその製造方法及び計測方法について説明する。この実施形態の神経活動計測デバイス１０は、図１，図２に示すように、フレキシブルなフィルム基板１２上に形成された金（Ａｕ）等の導電体のリード部１４と、このリード部１４の一端部に、リード部１４と交差する方向に結晶成長したＳｉ半導体による芯２０ｂを有するプローブ２０が形成されている。プローブ２０は、後述するようにパリレン膜１２ｃにより被覆され、プローブ２０の先端２１に、Ａｕ薄膜２２が露出した測定電極２２ａが位置している。

【0021】

フィルム基板１２は、生体との適合性の高いパリレン（parylene）を、後述する方法により蒸着して形成した膜から成る。フィルム基板１２は、実験用のマウスの脊髄に設置可能なように、例えば幅が４００μｍ、長さが４０００μｍである。フィルム基板１２上のリード部１４は、シリコン単結晶半導体を芯２０ｂとして有するプローブ２０の表面に形成されたＡｕ等の金属薄膜と連続して一体的に形成され、リード部１４とプローブ２０の先端２１の測定電極２２ａが電気的に接続して設けられている。フィルム基板１２の表面と、プローブ２０の先端２１との距離は、後述するように、脊髄後角浅層の深さに設定されている。

【0022】

プローブ２０は、その先端部２０ａの直径が５μｍ以下に形成され、基端部２０ｃが位置したフィルム基板１２の表面からプローブ２０の先端２１までの長さが、計測対象の動物の脊髄にプローブ２０を穿刺した状態で、脊髄後角浅層に先端部２０ａが位置する長さに形成されている。従って、フィルム基板１２上に設けられたプローブ２０の基端部２０ｃが位置した部分のフィルム基板２０の表面は、脊髄後角浅層にプローブ２０を穿刺する際の位置決め部材でありストッパとして機能する。脊髄後角浅層の神経細胞の位置は、例えば実験動物のマウスの場合、脊髄表面から１５～２００μｍであり、プローブ２０の突出長さを、例えば１５０μｍに設定する。神経活動計測デバイス１０は、マウス脊髄後角浅層からのin vivo神経活動記録を目的としたもので、プローブ２０の直径は、脊髄後角浅層の組織損傷および長期安定記録を実現するためのものである。従って、従来の神経細胞計測電極の直径４０μｍ以上のものから、本願発明では、これを大幅に下回る５μｍ以下を実現した。

【0023】

リード部１４は、フィルム基板１２の長手方向に沿って形成され、上述の通り一端部がプローブ２０の表面に一体的に形成されたＡｕ薄膜２２に連続し、他端部にはコンタクトパッド１４ａが連続して形成されている。リード部１４は、後述するように、フィルム基板１２を構成するパリレン膜１２ａ，１２ｃ間に保持され、コンタクトパッド１４ａがパリレン膜１２ｃから露出している。

【0024】

次に、この実施形態の神経活動計測デバイス１０の製造方法について、図３，図４を基に以下に説明する。

【0025】

先ず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ（１１１）基板３０の表面のＳｉＯ_２層３０ａの表面に、レジストを設けフォトリソグラフィにより、例えば直径６μｍ、厚さ２００ｎｍのディスク形状、好ましくは直径５μｍ以下で、Ａｕの触媒３２を形成するためのパターンニングを行う。そして、Ａｕを蒸着し、Ａｕ触媒３２の形成部以外のＡｕをリフトオフにより除去する。この後、Ａｕ触媒３２が残る部分の基板３０の表面にシリコン半導体の単結晶から成るプローブ２０の芯２０ｂを、結晶成長させて形成する。プローブ２０の芯２０ｂの結晶成長は、ＶＬＳ（Vapor Liquid Solid）成長により行う。プローブ２０の長さは、実験対象動物の脊髄後角浅層に達する長さであり、例えば１４０～１５０μｍまで結晶成長させる。

【0026】

次に、図３（ｂ）に示すように、フィルム基板１２を形成するパリレンＣを全体に５μｍ蒸着させ、パリレン膜１２ａを形成する。

【0027】

この後、スピンコーターによりＳｉ基板３０のみにレジストをつけ、図３（ｃ）に示すように、プローブ２０の芯２０ｂの表面のパリレンをリアクティブイオンエッチングする。そして、図３（ｄ）に示すように、裏面との絶縁のために、パリレンＣを１μｍ厚に蒸着してパリレン膜１２ｂを形成し、プローブ２０のＳｉ芯２０ｂと、後に形成する金属配線を絶縁する。従って、Ａｕ触媒３２と半導体から成る芯２０ｂは、後の計測で電気的に利用されるものではない。

【0028】

次に、レジストを設けフォトリソグラフィにより、金属配線となるＡｕのリード部１４のパターンニングを行い、Ａｕをスパッタリングし、図４（ａ）に示すように、プローブ２０の表面のＡｕ薄膜２２とリード部１４の配線部分以外のＡｕ薄膜をリフトオフにより除去する。

【0029】

この後、図４（ｂ）に示すように、パリレンＣを５μｍ厚に蒸着してパリレン膜１２ｃを形成し、プローブ２０とＳｉ基板３０の表面を被覆する。そして、レジストを設けフォトリソグラフィによりパターンニングを行い、図４（ｃ）に示すように、リード部１４のコンタクトパッド１４ａと、プローブ２０の先端２１のＡｕ薄膜２２の測定電極２２ａが露出するようにエッチングする。

【0030】

最後に、メスで四隅に切り込みを入れて、Ｓｉ基板３０からフィルム基板１２をプローブ２０とともに剥離し、図４（ｄ）に示すように、神経活動計測デバイス１０が完成する。

【0031】

この実施形態の神経活動計測デバイス１０の使用方法は、後に詳述する実験結果のように、例えば、図５に示す実験用のマウスＭの背中を切開して、脊髄Ｓの脊髄後角Ｐにプローブ２０を穿刺する。このときプローブ２０の長さは、脊髄後角浅層Ｐ１の深さに設定され、プローブ２０の基端部２０ｃが位置した部分のフィルム基板２０の表面が、脊髄後角浅層にプローブ２０を穿刺する際の位置決め部材でありストッパとして機能する。従って、フィルム基板１２が脊髄Ｓの表面に接触するまで、プローブ２０を挿入することにより、正確に脊髄後角浅層Ｐ１に、プローブ２０の先端２１のＡｕ薄膜２２による測定電極２２ａが位置する。フィルム基板１２はごく短いものであり、脊髄Ｓに沿って配置することができる。

【0032】

この状態で、マウスＭの脊髄後角浅層Ｐ１における神経活動を、プローブ２０とリード部１４を介して、電気的出力を計測する。また、プローブ２０とフィルム基板１２を、計測対象のマウスＭの脊髄Ｓに沿って埋植し、脊髄後角浅層Ｐ１の神経活動を継続的に計測することが好ましいものである。計測対象の電圧は、プローブ２０の測定電極２２ａと図示しない不関電極（この実験の場合、測定部位からやや離れた位置の脊髄Ｓに接触させている。）との電位差を計測するものである。

【0033】

さらに、リード部１４を経た電気的出力を処理する処理回路と、処理回路の出力を送信する無線回路と、各回路の電源とを一体に備えた図示しない計測装置を、計測対象の動物であるマウスＭ等に取り付けて、脊髄後角浅層Ｐ１の神経活動を、無線回路からの無線信号により継続的に計測すると良いものである。

【0034】

処理回路は、例えば、脊髄後角浅層Ｐ１で検知した電気的信号をフィルター処理するフィルター回路や、信号の増幅回路、増幅した信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路等である。また、無線回路は、デジタル信号に変換された信号を所定の無線規格の信号に変換して出力するもので、例えば既存のBluetooth（登録商標）等の規格に変換して出力する。電源は、超小型バッテリーを回路基板に取り付ける。これにより、自由に行動する実験動物であるマウスＭの脊髄後角浅層Ｐ１の活動記録を長期間継続的に記録することができる。

【0035】

この実施形態の神経活動計測デバイスとその製造方法及び計測方法によれば、実験動物であるマウスＭの脊髄後角浅層Ｐ１における神経活動を、低侵襲で容易且つ正確に計測し、長期間継続的に記録することができる。マウスＭへの装着に際しても、これまで熟練の技術が必要であった脊髄後角浅層Ｐ１への電極であるプローブ２０の穿刺を、フィルム基板１２が脊髄Ｓの表面に接するまで差し込めば、フィルム基板１２が穿刺深さを規制する位置決め用のストッパになり、正確に脊髄後角浅層Ｐ１にプローブ２０の先端部２０ａが位置する。従って、熟練者ではない多くの研究者による脊髄後角浅層Ｐ１の神経活動の計測が容易且つ正確に可能となる。これにより、痛み等の神経活動のメカニズムの解明や、痛みを低減する方法の開発に大きく寄与する。

【0036】

次に、この発明の実施形態の変形例について説明する。前述の実施形態の説明において示したとおり、プローブ２０の基端部２０ｃは、フィルム基板１２の表面から隆起した状態となる（図２および図８参照）。この基端部２０ｃの隆起は、プローブ２０の表面に蒸着したＡｕ薄膜（導電材料）のうち、プローブ２０の先端２１を除いた範囲をパリレンＣ（樹脂）によって絶縁する際に形成されるものである。そこで、予め結晶成長により形成させたプローブ２０の芯２０ｂに対し、穿刺すべきプローブ２０の長さを最終的に調整すべき場合には、基端部２０ｃの肉厚（蒸着量）を所定の厚さに変更させて、プローブ２０の穿刺長さを調節すると良い。この場合の基端部２０ｃは、穿刺の際のストッパとして機能させるため、適度な大きさの径を有する構成とする。径の大きさとしては、例えば、直径がフィルム基板１２の幅寸法と同程度とすることができる。または、基端部２０ｃが形成される領域についてのみフィルム基板１２の幅を大きくし、その幅寸法全体に基端部２０ｃを形成してもよい。

【0037】

上記のような構成とする場合、結晶成長によって形成されるプローブ２０の芯２０ｂは、適度な長さとしておき、測定対象の動物に応じて、基端部２０ｃの肉厚を変更することにより、各種の動物について適用可能となる。これは、結晶成長により作製されるプローブの長さが、成長時間に応じて調整できるとしても、正確な長さに制御することが難しいためである。これに対しパリレンＣ（樹脂）の蒸着による肉厚調整は比較的制御が容易であることに起因する。なお、上記実施形態において、プローブ２０に使用する導電材料としてＡｕ薄膜を例示したが、その他の材料を使用してもよい。また、絶縁のための樹脂としてパリレンＣを例示したが、これに限定されるものでもない。

【実施例0038】

以下に、本発明の神経活動計測デバイスを用いてマウスＭの脊髄後角浅層Ｐ１の神経活動を計測した実施例を、以下の通りの実験結果として説明する。

【0039】

まず、本発明の神経活動計測デバイス１０のプローブ２０により、目的とする神経活動記録が可能であるかを確認するため、測定用の電極である本発明の実施例の構造のプローブ部分を金属製のピン２４に固定し、図５に示すように、既存のマウスＭの脊髄後角Ｐに穿刺した。これにより、本発明のプローブ２０により、マウスＭの脊髄後角浅層Ｐ１の神経活動を記録可能であることを確認した。

【0040】

次に、マウスＭの体内への埋め込みを可能とするため、上記実施形態で説明した通り、Ａｕの測定電極２２ａを有し、ＶＬＳ成長技術により作製した半導体シリコン単結晶のプローブ２０と、生体適合性の高い高分子材料であるパリレン膜のフレキシブルなフィルム基板１２から成る神経活動計測デバイス１０を用いて、マウスＭの脊髄後角浅層Ｐ１の神経活動の計測を行った。

【0041】

この実施例の神経活動計測デバイス１０は、図７（ａ）に示すように、計測した神経活動の電圧が入力されてフィルター処理するフィルター回路や、信号の増幅回路、増幅した信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換回路等を有する回路基板を備えた計測装置２６に取り付けられる。無線回路は、上記の通り、デジタル信号に変換された信号を所定の無線規格の信号に変換して出力するもので、例えば既存のBluetooth（登録商標）等の規格に変換して出力する。電源は、超小型バッテリーを回路基板に取り付ける。

【0042】

神経活動計測デバイス１０は、図７（ｂ）に示すように、図７（ａ）の計測装置２６の先端部に設けられ、プローブ２０は、図８（ａ）に示すプローブ２０全体のＳＥＭ画像の通りであり、プローブ２０の先端部２０ａは図８（ｂ）に示す通り、先端が５μｍ以下に形成されている。プローブ２０の基端部２０ｃも図８（ｃ）のＳＥＭ画像に示す通りの構造を有する。

【0043】

これにより、脊髄後角浅層Ｐ１へのプローブ２０の穿刺に際して、フィルム基板１２が穿刺深さを規制する位置決め用のストッパになり、穿刺を正確に行うことができる。さらに、極細のプローブ２０により、穿刺による組織損傷が少なく、神経活動計測デバイス１０の体内への埋め込みも容易に行うことができる。ここで用いたフィルム基板１２は、幅４００μｍ、長さは４０００μｍである。作製した神経活動計測デバイス１０のインピーダンスは、１ｋＨｚにおいて、神経活動の記録を可能とする６００ｋΩ以下、電圧の入出力比は９０％以上をそれぞれ示した。

【0044】

計測は、神経活動計測デバイス１０を用いて、図５に示すように、マウスＭの脊髄後角浅層細胞からの自発発火の記録を行い、従来の電極（タングステン電極）と比較した。実験では、まず、マウスＭをウレタン深麻酔下で胸部椎弓切除を行い、脳脊髄固定装置にセットし顕微鏡下に硬膜、くも膜、軟膜を除去し電極刺入スペースを確保した。脊髄表面には３７℃で加温し酸素付加した人工脳脊髄液を灌流した。その後、従来のタングステン電極とこの発明による神経電極である神経活動計測デバイス１０を用いて、脊髄後角浅層細胞から神経活動の記録を行った。

【0045】

その結果、従来のタングステン電極で記録した場合、単一細胞にける神経活動の計測が電圧の変動として計測可能であった（図９（ａ），（ｂ），（ｃ））。次に、この発明の神経活動計測デバイス１０を用いて、同様の実験を行ったところ、上記タングステン電極と同様に、単一細胞における神経活動の計測が電圧変動の波形として測定できた（図１０（ａ），（ｂ），（ｃ））。

【0046】

両方の計測デバイスから記録された神経活動の解析を行った結果、図１１に示すように、従来のタングステン電極を用い場合と、今回用いた神経活動計測デバイスを使用した場合とで、脊髄後角浅層細胞から得られた自発発火頻度には有意な差は認められなかった（タングステン電極：0.11 ± 0.08 Hz、n = 9、神経活動計測デバイス：0.10 ± 0.06 Hz、n = 8、P = 0.90）。健常動物の脊髄後角浅層細胞では自発発火はほとんど見られないことから、得られた結果は、過去の報告と一致していた。

【0047】

従来、タングステン電極ではその電極の自体の長さから記録の場所を制御することが困難で脊髄後角浅層細胞から神経活動の記録を行うには非常に高度な技術が必要であった。しかし、この発明の神経活動計測デバイス１０は、測定電極２２ａを備えたプローブ２０の長を例えば１５０μｍ以下の所定の長さに正確に設定できたことで、容易に脊髄後角浅層細胞から神経活動の記録を行うことが可能となった。また、図９，図１０を比較して分かるように、タングステン電極よりもノイズレベルの低減にも成功している。

【0048】

さらに、皮膚への機械的痛み刺激に対する応答性についても、従来のタングステン電極と今回用いた神経活動計測デバイス１０を使用し検討を行った。脊髄後角浅層細胞から神経活動の記録を行い、皮膚受容野に対してピンセットを用いて機械的痛み刺激を行ったところ、発火頻度の著明な増加が見られた。両電極から記録された神経活動の解析を行った結果、図１２に示すように、得られた神経活動に有意な差は認められなかった（タングステン電極：12.4 ± 1.8 Hz、n = 10、新規極微細電極：13.0 ± 1.9 Hz、n = 10、P = 0.61）。

【産業上の利用可能性】

【0049】

本発明は、従来困難であった脊髄後角浅層からの記録が容易になったことで、慢性疼痛の発症メカニズムの解明につながり、新規治療薬・治療法の開発に大いに貢献できると考えられる。

【符号の説明】

【0050】

１０ 神経活動計測デバイス
１２ フィルム基板
１２ａ，１２ｃ パリレン膜
１４ リード部
１４ａ コンタクトパッド
２０ プローブ
２０ａ 先端部
２０ｂ 芯
２０ｃ 基端部
２１ 先端
２２ Ａｕ薄膜
２２ａ 測定電極
２４ ピン
３０ 基板
３２ Ａｕ触媒
Ｍ マウス
Ｐ 脊髄後角
Ｐ１ 脊髄後角浅層
Ｓ 脊髄

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】