まとめ

64微小電極アレイ、インキュベータ内での培養液潅流システムを用いることで長期的な培 養神経回路網の自発活動電位記録システムを構築した。このシステムにより 5DIV から

50DIVまでの同一培養神経回路網からの連続的な活動電位記録を行った。その結果、大脳皮

質培養神経回路網の発達段階における再現性が高く周期的に起こる同期バーストから成熟段 階である複雑なバーストへ移行するまでを詳細に捉えることができた。

  本研究では培養開始後５日から同期バースト現象が観察され、一旦活発した後2週間目に 休止期を迎え、その後再び活発化する様子や、休止期の前後での発火パターンが大きく異な った性質を示すことが、同期バーストの各パラメータ及び空間パターンから定量的に評価さ れた。これらの結果から回路網形成に重要な役割を担う同期バーストは成熟段階に移行する 段階で消失することが示唆された。

  今後、このメカニズムについてさらに複数のサンプルにおいて詳細に検討する必要がある。

例えば培養液潅流システムに各種レセプターの阻害薬を注入するシステムを製作することで、

発火パターンと合わせて各時期における各種シナプス及びレセプターの発現の状態を正確に 推定でき、脳形態学的な新たな知見を多く得ることができると考えられる。

第 5 章 

結論

本研究では 64 微小電極アレイを用いた培養神経回路網の長期的な計測及び解析を行い、

神経回路網の発達段階における特性変化の推移において、脳形態学的な知見を得ることを目 標として行った。

最初に細胞外記録法である微小電極アレイから得られた電位データから、多電極での一神 経細胞の神経突起の広がりを検出し、その電極間における遅延パターンを用いることによっ て推定された細胞の発火時間を精度よく求める手法を提案した。その結果、従来のスパイク ソーティングで行われる波形相関のみでの分離が困難であった電極の電位データに対し、提 案した手法は分離することが可能であった。この手法はバーストのように高頻度で活動電位 が重なった場合でのスパイクソーティングに有効である。

さらに、神経回路網の成長による推移を捉えるため、一般的なインキュベータ内において 培養環境を維持し、シリンジポンプを用いることで、安定に神経回路網の活動電位を得るこ とのできるシステムを構築した。さらに、膨大となる電位データから神経細胞の活動電位の みを抽出することで、データの圧縮を行い、培養５日目から50日目までの計45日間の連続 記録に成功した。

これらのデータの解析として同期バースト部分を抽出し、同期バーストのパラメータとし てバースト幅、間隔、空間パターンを設定した。これらパラメータの推移を調査した結果、

回路網成長段階に生じる同期バーストが培養2週目において減衰し、その後に全くパラメー タの異なる成熟段階の複雑なバーストパターンが出現することが明らかになった。この結果 は脳形態学的に大きな知見を与えるものである。今後、この現象についての更なるメカニズ ムの解明が求められる。

また、今回は安定な状態で得られた自発活動電位の解析を行ったが、もっとも興味深い点 は長期的に刺激を与えることによる回路網形成の影響の解析である。製作したシステムでは 安定な状態において 64 微小電極ごとに長期的に刺激を与えることも可能である。今後、成 長段階において様々なパターンで外部刺激を与えることで、回路網の特性の更なるメカニズ ムが明らかになると考えられる。将来的には生体神経回路網とコンピュータにモデリングさ れた神経細胞とを微小電極を介してインタラクションさせることにより、回路網形成のコン トロールが可能となることが期待できる。

謝辞

最後に、本研究を進める上で、ご指導を頂き、多くの御助言を下さいました本学電子・情 報工学系の椎名毅教授に感謝とともに、厚く御礼申し上げます。またゼミ等を通して貴重な ご意見を頂きました板橋秀一教授、山本幹雄助教授に深く感謝いたします。さらに臨床的な 側面からのご意見を賜りました駒込神経クリニック斎藤陽一医師に心から御礼申し上げます。

また、実験装置を貸して頂き、神経細胞に関する知識を多く教えて頂きました NTT 物性 科学基礎研究所物質科学部の神保泰彦主任研究官に心より感謝し、ここに厚く御礼申し上げ ます。

脳波ゼミでお世話になりました東京電機大学島田尊正氏、茨城県立医療大学阪田治氏、水 野亮二氏、他多くの大変お世話になった知能情報・生体工学研究室の皆様方に感謝の意を表 します。

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付録

A   NTTmain データ形式

  計測情報  （４byte×6）   

１    ---  ２    ---  ３  サンプリング周波数  ４  フレームサイズ 

５  計測回数（フレーム数） 

６  プレトリガーサイズ 

4  [bytes] 

4  [bytes] 

4  [bytes] 

4  [bytes] 

4  [bytes] 

4  [bytes] 

トリガー情報  （4byte×80）  320  [bytes] 

AD 計測情報   

ヘ ッ

 ダ 部

１  AD ステータス  ２  DSP ステータス  ３  終了したフレーム回数  ４  取り込んだ総データ数  ５  トリガーアドレス  ６  タイムテーブル 

4  [bytes] 

4  [bytes] 

4  [bytes] 

4  [bytes] 

4×65536  [bytes] 

4×65536  [bytes] 

  電位データ（２bytes×データ数）   

データ部 

A0  フレームサイズ×終了したフレーム数  A1 

      …  H7