JP2006094940A - 生体内局所膜電位制御方法並びに制御装置及び神経機能回復方法並びに回復装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安全な手法を用いて意図的に一過性可逆的細胞脱分極又は拡延性抑制を産生させる導電体を用いた生体内局所膜電位制御方法並びに制御装置及び神経機能回復方法並びに回復装置を提供すること。一過性可逆的細胞脱分極又は拡延性抑制の産生は、神経変性疾患や脳機能低下などの治療に、また様々な脳神経損傷・障害の軽減、或いは損傷を受けた脳や臓器などの機能回復や再生を目的として使用することができる。
【解決手段】 電流の供給により変動磁場を生成する変動磁場生成手段と、該変動磁場生成手段に電流を供給する電流供給部と、該変動磁場生成手段によって生成された変動磁場を変動電位に変換して生体に変動電位刺激を与える変動電位変換手段と、を含み、前記変動電位変換手段は、前記電流供給部からの電流供給によって前記変動磁場生成手段が生成した変動磁場を生体内局所において変動電位に変換して、該変動電位を生体に与えて、可逆的細胞脱分極又は拡延性抑制を生じさせることを特徴とする生体内局所電位変動装置とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は導電体を用いた生体内局所膜電位制御方法並びに制御装置及び神経機能回復方法並びに回復装置に関する。
本発明の目的は、局所における膜（直流）電位を安全に意図的に変化させることを可能とする生体内局所膜電位制御方法及び制御装置を提供することにある。さらに、その技術を応用することで、内在性幹細胞を活性化させる性質を有する連続的な細胞脱分極、或いは長期の拡延性抑制を生じさせ、その結果、脳梗塞や外傷などによって揖傷を受けた脳機能の回復、或いはアルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病、脊髄小脳変性症、筋萎縮性側索硬化症などの神経変性疾患或いはその他の原因による知能低下などの治療に有効な神経機能回復方法及び回復装置を提供することにある。

皮膚や消化管の上皮などでは、新しい細胞を作り出すことができる幹（前駆）細胞が成長発達後も常に存在しており、この幹（前駆）細胞が***、増殖して新しい機能的細胞集団を作り出している。一方、成人の脳には、記憶に関連する海馬の一部や嗅球の神経細胞の脱落を補充すると考えられている内在性神経幹（前駆）細胞の存在は明らかとなったが、その他の大部分の脳においては、新たな神経細胞の補充手段や神経突起の伸展促進手段はないと考えられてきた。
従って、何らかの理由によって、例えば、脳梗塞や外傷、或いはアルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病、脊髄小脳変性症、筋萎縮性側索硬化症などの神経変性疾患などによって、脳細胞が損傷を受けると、損傷を受けた脳や神経の機能を回復することは、一般的に困難である。

一方、神経細胞の神経突起伸展促進作用、神経細胞の生存維持・生存能増強作用や分化誘導作用などの神経細胞の生存維持に必要な作用を示す神経栄養因子と呼ばれる分子が存在している。ニューロンの発生・分化の過程において、神経栄養因子が存在しないと、そのニューロンはアポトーシスを起こすことから、神経栄養因子の存在はニューロンの生存維持にとって重要である。

この神経栄養因子のような神経細胞の成長を刺激することができる薬剤を脳に供給することによって、神経変性疾患の治療や損傷を受けた脳細胞の修復が可能ではないかと考えられており、例えば、特許文献1には、１，５−ジ（ピリジン−４−イル）−ペンタ−１，４−ジエン−３−オンと神経栄養因子とを含有する薬剤組成物が記載されている。

特表２００１−５０４４７０号公報

脳を有害な物質から守るために、脳や脊髄の血管は物質が自由に通行できず、さらに選択的に取り込んだ物質しか脳内に入らないような血液脳関門とよばれる仕組みが備わっている。
従って、患者の体内に投与された特許文献1に記載されるような薬剤組成物は、血液脳関門を通過しなければ脳内に到達することはできず、神経細胞の成長作用を示すことはできなかった。また、脳内或いはその他の臓器に成長発達後も存在する内在性神経幹（前駆）細胞を安全な手段を用いて意図的に***させ、神経細胞等の機能的細胞を安全な手法を用いて意図的に増加させることは不可能であった。

本発明者は、確実にしかも安全に、生体（細胞）膜（直流）電位を制御する技術を見出した。さらに、その技術の応用により、生体内幹（前駆）細胞の細胞***、増殖を促進させることが可能であることを見出し、本発明の完成に至った。

即ち、請求項１に係る発明は、生体内に留置した導電体に電位変動を生じさせ、それにより生体内局所における膜電位を制御することを特徴とする生体内局所膜電位制御方法に関する。
請求項２に係る発明は、生体内に留置した導電体に電位変動を生じさせ、それにより生体内局所における膜電位を制御することを特徴とする神経機能回復方法に関する。
請求項３に係る発明は、電流の供給により変動磁場を生成する変動磁場生成手段と、該変動磁場生成手段に電流を供給する電流供給部と、該変動磁場生成手段によって生成された変動磁場を変動電位に変換して生体に変動電位刺激を与える変動電位変換手段と、を含み、前記変動電位変換手段は、前記電流供給部からの電流供給によって前記変動磁場生成手段が生成した変動磁場を生体内局所において変動電位に変換して、該変動電位を生体に与えて、可逆的細胞脱分極又は伝播性抑制を生じさせることを特徴とする生体内局所膜電位制御装置に関する。
請求項４に係る発明は、前記変動磁場生成手段が生成する変動磁場が、パルス磁場であることを特徴とする請求項３に記載の生体内局所膜電位制御装置に関する。
請求項５に係る発明は、に係る発明は、前記変動磁場生成手段が生成する変動磁場が、周波数１〜３０００Ｈｚ、パルス幅０．０００１〜１００００ｍｓ、平均磁場強度０．１〜１００Ｔであることを特徴とする請求項３又は４に記載の生体内局所膜電位制御装置に関する。
請求項６に係る発明は、前記変動電位変換手段が、導電体を含むことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の生体内局所膜電位制御装置に関する。
請求項７に係る発明は、前記導電体の表面の一部又は全面が絶縁体によって覆われていることを特徴とする請求項６に記載の生体内局所膜電位制御装置に関する。
請求項８に係る発明は、電流の供給により変動磁場を生成する変動磁場生成手段と、該変動磁場生成手段に電流を供給する電流供給部と、該変動磁場生成手段によって生成された変動磁場を変動電位に変換して生体に変動電位刺激を与える変動電位変換手段と、を含み、前記変動電位変換手段は、前記電流供給部からの電流供給によって前記変動磁場生成手段が生成した変動磁場を生体内局所において変動電位に変換して、該変動電位を生体に与えて、可逆的細胞脱分極又は伝播性抑制を生じさせることを特徴とする神経機能回復装置に関する。
請求項９に係る発明は、前記変動磁場生成手段が生成する変動磁場が、パルス磁場であることを特徴とする請求項８に記載の神経機能回復装置に関する。
請求項１０に係る発明は、前記変動磁場生成手段が生成する変動磁場が、周波数１〜３０００Ｈｚ、パルス幅０．０００１〜１００００ｍｓ、平均磁場強度０．１〜１００Ｔであることを特徴とする請求項８又は９に記載の神経機能回復装置に関する。
請求項１１に係る発明は、前記変動電位変換手段が、導電体を含むことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の神経機能回復装置に関する。
請求項１２に係る発明は、前記導電体の表面の一部又は全面が絶縁体によって覆われていることを特徴とする請求項１１に記載の神経機能回復装置に関する。

本発明に係る生体内局所膜電位制御方法及び制御装置は、生体内局所の膜電位を制御することを可能とする方法及び装置である。
生体内局所膜電位制御方法及び制御装置は、目的とする細胞集団に一過性可逆的細胞脱分極或いは拡延性抑制を意図的に生じさせることで、様々な疾患の治療や予防を可能とする方法及び装置である。一過性可逆的細胞脱分極、或いは、拡延性抑制が連続的に加わることで、内在性神経幹（前駆）細胞、その他の幹細胞、或いはその他の***、増殖が可能な細胞の***、増殖活性が高まり、その結果、目的とする細胞集団を意図的に***、増殖させることができる。

また、神経機能回復方法及び装置は、前記生体内局所膜電位制御方法及び制御装置を応用した方法及び装置であり、目的とする細胞集団に一過性可逆的細胞脱分極或いは拡延性抑制を意図的に生じさせることができる。一過性可逆的細胞脱分極、或いは、拡延性抑制が連続的に加わることで、内在性神経幹（前駆）細胞、その他の幹細胞、或いはその他の***、増殖が可能な細胞の***、増殖活性が高まり、その結果、目的とする細胞集団を意図的に***、増殖させることができる。
この***可能な細胞には、末梢神経或いは中枢神経細胞や心臓等の構成細胞を生み出す細胞、すなわち、再生不可能と考えられていた細胞集団を産生する幹（前駆）細胞も含まれる。この神経機能回復方法及び装置により、幹（前駆）細胞の***、増殖を活性化し、さらに成長・栄養因子の産生を増加させることで、機能低下に陥った臓器を再生させることができる。従って、本発明に係る神経機能回復方法及び装置は、脳梗塞等の各種疾患や外傷によって損傷を受けた脳の治療、或いはアルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病、脊髄小脳変性症、筋萎縮性側索硬化症などの神経変性疾患、慢性疼痛、或いはその他の原因による知能低下などの治療、動脈硬化等による局所脳循環不全に対する治療を目的として用いることができる。
脳においては伝播性の一過性可逆性脱分極現象である拡延性抑制を繰り返し生じさせることによって脳由来神経栄養因子を増加させることが可能であり、神経突起の伸展促進作用による低下した脳機能改善や鬱病の治療を目的として用いることができる。一方、脳以外の臓器に生体内局所細胞脱分極発生法を用いた連続的な脱分極刺激を行った場合、当該臓器における内在性幹（前駆）細胞を***、増殖させることで再生を計る、各種細胞臓器再生治療目的に用いることも可能である。

以下、本発明に係る生体内局所膜電位制御方法について説明する。
本発明に係る生体内局所膜電位制御方法は、生体局所において様々なレベルと性質を有する電位変動を意図的に生じさせることを特徴とする。

生体局所の直流電位をある一定以上に変化させると、細胞内外における直流電位の差として観察される分極状態が一過性に減少する方向に傾く、すなわち細胞内外脱分極が生じる。脳では、その局所に生じた脱分極が、一定の閾値に達すると、その脱分極した領域を焦点として周辺に２〜５ｍｍ／分程度の固有の速度で伝わる同じく脱分極性の電位変動性波が波紋のように同側脳全体に拡がる。この現象は、伝播性抑制或いは、拡延性抑制（spreading depression）と呼ばれており、すなわち、周囲の細胞集団へ連続的に伝播する性質を有する一過性可逆的細胞脱分極現象である。この現象は、成熟脳の正常な状態では出現せず、偏頭痛時、てんかん発作や脳梗塞、脳に対して極度な温度刺激や脳を傷つける程度の物理的刺激が加えられたとき、或いは、脳虚血等に随伴して生じることが知られている。拡延性抑制そのものは脳にとって無害であることが知られ、また、生体における拡延性抑制現象の有する意義は未だに不明である。拡延性抑制は、通常の偏頭痛発作に随伴して脳内にて生じることでも明らかなごとく、この拡延性抑制現象が単回から数回生じることのみでは、脳における何らかの治療的、或いは、予防的効果を示さないと考えられる。また、このことは下記のごとくに実験的にも裏付けされている。
本発明者は、数時間のみではなく、数日間に及ぶ連続的拡延性抑制の発現誘導が、脳内において新たな神経細胞を増加させることを見出した。即ち、一定期間連続的に拡延性抑制を生じさせることによって、脳内在性神経幹（前駆）細胞の***活動が活性化する。一方、同刺激は、脳内での脳由来神経栄養因子をも増加させる。この脳由来神経栄養因子の増加は、神経突起の伸展を促し或いは、中枢神経系に内在する神経幹（前駆）細胞の細胞***によって生じた細胞群を神経細胞への分化を促進させる働きを有する。すなわち、長期に及ぶ連続的拡延性抑制の誘導により、脳内では通常極限られた範囲でわずかに生じている神経の新生が促進される。生体内局所膜電位制御方法を適切に応用することで初めて生体における治療、予防効果がもたらされる。
従って、本発明に係る生体内局所膜電位制御方法は、神経機能回復方法として適用することができる。

細胞の***活性を促す性質を有する一過性可逆的脱分極、又は拡延性抑制を生じさせるには、局所直流電位を繰り返し一定に変化させればよく、具体的には、細胞に***、増殖活性を生じさせるような局所膜電位の変動を生じさせればよい。
生体局所直流電位を変化させる程度は特に限定されないが、1回あたりの変動に関しては、変動電位刺激により、通常は、−５〜−１００ｍＶ程度に維持（分極）されている細胞内電位を５〜１００ｍＶ程度変化（脱分極）させればよい。この局所脱分極が一定の閾値に達することで、脳では、拡延性抑制（伝搬性電位変動波）が生じる。

内在性幹（前駆）細胞の細胞***或いは、増殖を促すためには、一定期間連続的に或いは、断続的に可逆的細胞脱分極又は拡延性抑制を生じさせる必要がある。可逆的細胞脱分極の回数、又は拡延性抑制を生じさせる期間は特に限定されないが、可逆的細胞脱分極であれば、少なくとも２〜１０回は連続的に、拡延性抑制であれば、少なくとも１〜６時間程度は連続的に生じさせることが必要であり、好ましくは可逆的細胞脱分極であれば、１０回以上、拡延性抑制であれば、６時間以上、さらにこれらを断続的に繰り返し生じさせればよい。

脳や神経幹（前駆）細胞などの生体に与えられる変動電位刺激の各種パラメータ値は特に限定されず、脳や神経幹（前駆）細胞などの生体に可逆的細胞脱分極又は拡延性抑制を生じさせることができる電位変動であれば構わない。
生体に電位変動を与える方法は特に限定されないが、例えば、変動磁場内に置かれることで、生体に変動電位刺激を与えることができる（即ち、変動磁場を変動電位に変換することができる）変動電位変換手段を脳などの生体局所に配置して、この変動電位変換手段に外部から変動磁場を与える方法を例示することができる。
特に本発明では、変動電位変換手段に与えられる変動磁場刺激はパルス磁場刺激であることが好ましい。パルス磁場の一例としては、周波数が１〜３０００Ｈｚ、好ましくは１〜５０Ｈｚ、パルス幅が０．０００１〜１００００ｍｓ、好ましくは０．１〜３０００ｍｓ、平均磁場強度が０．１〜１００Ｔ、好ましくは０．５〜１０Ｔであるパルス磁場を例示することができる。
尚、変動磁場を変動電位変換手段に与えた際に変動電位変換手段が生体に与える電位変動は、変動電位変換手段に与えられる変動磁場刺激の大きさ、変動磁場を生成する装置と変動電位変換手段との位置関係や距離、変動電位変換手段の形態などに応じて変化する。従って、前記した変動磁場刺激のパラメータ値は一例であり、変動電位変換手段から生体に与えられる電位変動が生体に可逆的細胞脱分極又は拡延性抑制を生じさせることができる電位変動となるような変動磁場刺激が、変動電位変換手段に与えられればよい。
脳や神経幹（前駆）細胞などの生体に電位変動を与える期間は特に限定されないが、１日当り１時間〜２４時間の連続或いは、断続刺激を１〜３０日間程度与えればよい。

電位変動を与える脳の部分は特に限定されず、例えば、脳皮質、海馬、基底核、中脳、小脳、延髄などを例示することができる。
また電位変動は、この他の細胞***によって再生を期待する臓器に与えることもできる。

次に、本発明に係る生体内局所膜電位制御装置について説明する。生体内局所膜電位制御装置（以下、単に制御装置という場合がある。）は、生体局所において様々なレベルと性質を有する電位変動を意図的に生じさせることができる。図1は本発明に係る制御装置の概略を示すブロック図である。
本発明に係る制御装置（１０）は、電流の供給によって変動磁場を生成することができる変動磁場生成手段（１２）と、変動磁場生成手段（１２）に電流を供給する電流供給部（１１）と、変動磁場生成手段（１２）によって生成された変動磁場を変動電位に変換して生体に電位変動を与えることができる変動電位変換手段（１３）と、を含む。

電流供給部（１１）は、変動磁場生成手段（１２）に変動磁場を生成させることができる電流を供給するために設けられており、図示例の電流供給部（１１）は、電源部（１１ａ）と制御部（１１ｂ）と出力部（１１ｃ）とから構成されている。
電源部（１１ａ）は所要の電流を供給するために設けられており、例えば、アルカリイオン電池、リチウムイオン電池、１００Ｖ電源、２００Ｖ電源、バッテリーなどが用いられる。

制御部（１１ｂ）は、ＣＰＵ（図示せず）、発振器（図示せず）、電源部（１１ａ）から供給された電力の電圧を調節するための電圧調節器（図示せず）などから構成されている。電源部（１１ａ）からの電源供給を受けるとともに、所要の電流を出力するように出力部（１１ｃ）を制御する。
出力部（１１ｃ）は、制御部（１１ｂ）の制御によって、変動磁場生成手段（１２）に所要の電流を出力する。
出力部（１１ｃ）と変動磁場生成手段（１２）はリード線などにより接続されている。

変動磁場生成手段（１２）は、電流供給部（１１）からの電流供給によって変動磁場を生成することができるものであればよく、具体的には、ヘルムホルツコイルなどを例示することができる。また、電流供給部（１１）からの電流供給によって、磁性体を回転させて変動磁場を生成することができるものであっても構わない。

図２は、変動電位変換手段（１３）の概略構成を示す部分断面図である。
変動電位変換手段（１３）は、変動磁場生成手段（１２）によって生成された変動磁場を変動電位に変換して生体に変動電位刺激を与えることができる。通常の場合、変動電位変換手段（１３）は、変動磁場生成手段（１２）と物理的空間的に離れて配置される。
変動電位変換手段（１３）としては、変動磁場内に置かれることによって生体に変動電位刺激を与えることができるものであればよい。変動磁場内に置かれることによって変動電位を生成することができるものとしては、例えば、導電体を例示することができ、具体的には、ステンレス、鉄、アルミニウム、銅、金、銀などの金属、或いは導電性ポリアセチレン、導電性ポリチオフェン、導電性ポリピロールなどの導電性ポリマーなどを例示することができる。
変動電位変換手段（１３）の形態は特に限定されず、例えば、球形、ネジ型、プレート状、膜状、或いはこれらの形状を組み合わせた形状を例示することができる。
変動電位変換手段（１３）は、生成した変動電位が生体内の目的とする生体（細胞）膜に到達するように、必要に応じて、リード線、或いは変動電位変換手段（１３）の一定部分を覆う絶縁体が付属する。
図２の（ａ）に示す変動電位変換手段（１３）では、導電体（１３ａ）の一部表面のみが露出するように、導電体（１３ａ）のその他の表面は絶縁体（１３ｂ）により被覆されている。図２の（ａ）に示す変動電位変換手段（１３）は、絶縁体（１３ｂ）によって被覆されていない導電体（１３ａ）の一部表面が、変動電位刺激を与える目的部位或いはその近傍と直接接触するように配置される。
図２の（ｂ）に示す変動電位変換手段（１３）では、導電体（１３ａ）の全表面は絶縁体（１３ｂ）により被覆されているとともに、リード線（１３ｃ）が設けられており、リード線（１３ｃ）の一方の端部は導電体（１３ａ）に接続されている。リード線（１３ｃ）の他方の端部は、電位変動を与える目的部位或いはその近傍に配置される。

変動電位変換手段（１３）を配置する個数は特に限定されないが、変動電位刺激を与えたい目的部位（例えば、大脳、小脳、血管、神経細胞など）或いはその近傍に、複数個の変動電位変換手段（１３）からの変動電位刺激が与えられるように配置する必要があり、図１では、変動電位変換手段（１３）は大脳（Ｂ）と接するように合計４個配置されている。
複数個配置される変動電位変換手段（１３）は、全ての変動電位変換手段（１３）が同じ形態であっても構わないし、異なる形態であっても構わない。また、その個数は特に限定されない。

図３及び４は、変動電位変換手段（１３）を生体に配置した状態を示す図である。尚、図３及び４中、ａは頭皮であり、ｂは頭骨であり、ｃは硬膜であり、ｄはくも膜であり、ｅはくも膜下腔であり、ｆは軟膜であり、ｇは大脳皮質である。
変動電位変換手段（１３）は、変動磁場を受けることによって生成された変動電位刺激を生体に与えることができるように配置されていれば特に限定されず、変動電位変換手段（１３）は皮下に埋め込むことも可能であるし、また体外に配置することもできる。
変動電位変換手段（１３）を皮下に埋め込む場合、変動電位変換手段（１３）が配置される位置は特に限定されないが、変動電位刺激の到達部位が脳皮質、海馬、基底核、中脳、小脳、延髄などとなるように、これらの目的箇所或いはその近傍に変動電位変換手段（１３）の一部（絶縁体で覆われていない部分）が接触するように配置することができる。
この他、細胞***による組織再生、臓器再生或いは血管再生を期待する臓器或いは血管を構築する細胞集団に接するような位置に配置したり、目的箇所から離れた位置に埋め込んだ変動電位変換手段（１３）で生成した電位変動を、皮下に埋め込んだリード線を介して目的箇所或いはその近傍に誘導したりしても構わない。皮下に埋め込んだ場合は、長期間の電位変動に適している。
変動電位変換手段（１３）を体外に配置する場合は、例えば、細胞***による組織再生或いは、臓器再生を期待する臓器或いは、血管の近傍の皮膚と接するように配置して、この変動電位変換手段（１３）で生成した変動電位を、皮下に埋め込んだリード線を介して目的箇所に誘導すればよい。体外に配置した場合は、短期間の変動電位生成に適している。

具体的には、図３に示すように、頭骨（ｂ）に穿孔して孔部を設けて、この孔部に、硬膜（ｃ）と接するように変動電位変換手段（１３）を配置する方法を例示することができる。尚、図３に示す変動電位変換手段（１３）の硬膜（ｃ）と接する部分以外の部分には、絶縁体が設けられており、変動磁場を受けることによって生成した変動電位は、硬膜に直接到達することができる。この硬膜に伝わった変動電位は、くも膜や軟膜およびその周辺の構造物を介して脳へと伝わる。
また図４に示すように、変動電位変換手段（１３）を頭皮（ａ）表面に配置するとともに、頭骨に穿孔して孔部を設けて、この孔部からリード線（１３ｃ）を硬膜（ｃ）に接続する方法を例示することができる。尚、図４に示す変動電位変換手段（１３）の周囲は絶縁体で覆われており、変動磁場を受けることによって生成した電位変動は、リード線（１３ｃ）を通じて硬膜に到達することができる。

次に、本発明に係る制御装置（１）の作用について説明する。
変動磁場生成手段（１２）に、電源供給部（１１）から電流が供給されることによって、変動磁場生成手段（１２）は変動磁場を生成する。
生体には、変動磁場内に置かれることによって電位変動を生成することができる変動電位変換手段（１３）の複数個が、所要の位置に配置されている。図１の例では、電位変動を脳（Ｂ）に与える場合が示されており、合計４個の変動電位変換手段（１３）が片側脳（Ｂ）の硬膜と接するように配置されている（配置する変動電位手段の個数は特に限定されない）。
変動磁場生成手段（１２）によって生成した変動磁場内に変動電位変換手段（１３）を置くことにより、変動電位変換手段（１３）において変動電位が生じる。この変動電位は脳神経細胞に対する脱分極性刺激となり、その刺激が一定の閾値に達すると脳（Ｂ）には拡延性抑制が生じる。
長期にわたって連続的に拡延性抑制が生じることにより、内在性神経幹（前駆）細胞の***活動、及び、脳由来神経栄養因子の産生を増加させることができる。これにより、脳（Ｂ）内では機能回復に関連する神経突起の進展や新たな神経細胞の産生等が促進される。従って、本発明に係る制御装置（１）は、神経機能回復装置として利用することができる。

本発明に係る生体内局所膜電位制御方法並びに装置及び神経機能回復方法並びに装置は、あらゆる動物の脳や神経幹（前駆）細胞に適用することができ、特にヒト、サル、ウシ、ヒツジ、ウマなどの哺乳動物に好適に適用することができる。

以下、本発明を実施例に基づき説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
（試験例）
８〜９週齢のＳｐｒａｇｕｅ−Ｄａｗｌｅｙ系雄性ラットの頭蓋に、変動電位変換手段として、直径２ｍｍの球形金属導電体（ステンレス製）４個を硬膜に接するように頭蓋骨に穿った小孔内に外科的に留置し、外面より接着剤を用いて骨内に固定した。変動電位変換手段の一部表面が脳表面を覆う硬膜に接するよう配置することで、変動電位変換手段により生成した電位変動は、硬膜を介して脳に達することが可能となった。
変動電位変換手段を固定した後、頭部皮膚は縫合、閉創した。この処置後、この変動電位変換手段に対して、体外より、刺激頻度２５パルス／秒、パルス幅０．２ｍ秒、磁束変化率が毎秒３０〜１２０ｋＴである変動磁場を１回連続２秒間、１０分間隔に計１８回与えることで脳局所の電位を変動させ、拡延性抑制の誘発を試みた。変動磁場による電位変動後、３日後に脳を取り出し、脳内での拡延性抑制が出現したことの組織学的指標となるグリア線維性酸性蛋白質（GFAP）或いは、脳由来神経栄養因子(BDNF)の発現を観察した。
グリア線維性酸性蛋白質（GFAP）の観察に使用したラットの脳の顕微鏡写真を図５に、脳由来神経栄養因子(BDNF)の観察に使用したラットの脳の顕微鏡写真を図６に、それぞれ示す。図５及び６の（１）は、比較対照のラットの脳を示す顕微鏡写真であり、図５及び６の（２）が球形金属導電体で変動電位刺激を与えたラットの脳を示す顕微鏡写真である。
摘出した脳を組織学的に観察した結果、刺激側脳内での広範囲にわたるGFAP及び脳由来神経栄養因子の増加が確認された。即ち、変動磁場を用いた細胞脱分極発生法は脳内において拡延性抑制を生じさせたことが明らかとなった。

一方、同じくラットを用いた実験系により、局所塩化カリウムの注入を用いて誘導した４８時間にわたる連続的拡延性抑制（拡延性抑制は、電位的刺激の他、化学的刺激による細胞膜脱分極でも生じさせることが可能である）が、通常の成長発達後のラット前頭葉側脳室壁下層での幼若神経細胞数を急激に増加させること、また、通常は存在しない脳内の他の部位、即ち基底核部や脳皮質内において広範囲に多数の新生神経細胞が出現することを見出している。

本発明に係る生体内局所膜電位制御方法及び神経機能回復方法は、安全に、しかも意図した膜電位の変化を局所にて生じさせることが可能であり、生体内における直流電位上の変化を伴う現象、すなわち、中枢神経活動、神経伝達、骨格筋の収縮或いは弛緩、心筋の収縮或いは弛緩、消化管におけるぜん動運動、各種括約筋の収縮或いは弛緩等の制御手段あるいは、刺激手段として応用することができる。
本発明に係る生体内局所膜電位制御装置及び神経機能回復装置は、一過性可逆的細胞脱分極刺激を用いた連続的な拡延性抑制を生じさせることが可能であり、その結果、脳由来神経栄養因子の産生を高め、神経細胞を新生させることができる。
また本発明に係る神経機能回復装置は、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病、脊髄小脳変性症、筋萎縮性側索硬化症などの神経変性疾患或いはその他の原因による脳機能低下などの治療装置として用いることができる。また、各種ストレスに対する脳の抵抗性を高めるため、様々な脳神経損傷・障害の軽減装置として利用することができる。さらに一過性可逆的細胞脱分極又は拡延性抑制の産生は脳神経細胞或いはその他の細胞を新たに産生させるため、脳梗塞や外傷などによって揖傷を受けた脳或いはその他の臓器の機能回復装置や臓器再生装置として利用することができる。

本発明に係る生体内局所膜電位制御装置の概略を示すブロック図である。 （ａ）及び（ｂ）は、変動電位変換手段の部分断面図である。 変動電位変換手段を生体に配置する状態を示した図である。変動電位変換手段は、頭骨に穿孔されて設けられた孔部内に、硬膜と接するように配置されている。 変動電位変換手段を生体に配置する状態を示した図である。変動電位変換手段は、頭皮表面に配置されており、この変動電位変換手段にはリード線が設けられており、このリード線が硬膜と接するように配置されている。 グリア線維性酸性蛋白質（GFAP）の観察に使用したラットの脳の顕微鏡写真であり、（１）は比較対照のラットの脳を示す顕微鏡写真であり、（２）は球形金属導電体で変動電位刺激を繰り返し与えたラットの脳を示す顕微鏡写真である。 脳由来神経栄養因子(BDNF)の観察に使用したラットの脳の顕微鏡写真であり、（１）は比較対照のラットの脳を示す顕微鏡写真であり、（２）が球形金属導電体で変動電位刺激を繰り返し与えたラットの脳を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１０ 生体内局所膜電位制御装置
１１ 電気信号生成手段
１１ａ 電源部
１１ｂ 制御部
１１ｃ 出力部
１２ 変動磁場生成手段
１３ 変動電位変換手段
１３ａ 導電体
１３ｂ 絶縁体
１３ｃ リード線
Ｂ 脳
ａ 頭皮
ｂ 頭骨
ｃ 硬膜
ｄ くも膜
ｅ くも膜下腔
ｆ 軟膜
ｇ 大脳皮質

Claims (12)

1. 生体内に留置した導電体に電位変動を生じさせ、それにより生体内局所における膜電位を制御することを特徴とする生体内局所膜電位制御方法。
2. 生体内に留置した導電体に電位変動を生じさせ、それにより生体内局所における膜電位を制御することを特徴とする神経機能回復方法。
3. 電流の供給により変動磁場を生成する変動磁場生成手段と、該変動磁場生成手段に電流を供給する電流供給部と、該変動磁場生成手段によって生成された変動磁場を変動電位に変換して生体に変動電位刺激を与える変動電位変換手段と、を含み、
   前記変動電位変換手段は、前記電流供給部からの電流供給によって前記変動磁場生成手段が生成した変動磁場を生体内局所において変動電位に変換して、該変動電位を生体に与えて、可逆的細胞脱分極又は伝播性抑制を生じさせることを特徴とする生体内局所膜電位制御装置。
4. 前記変動磁場生成手段が生成する変動磁場が、パルス磁場であることを特徴とする請求項３に記載の生体内局所膜電位制御装置。
5. 前記変動磁場生成手段が生成する変動磁場が、周波数１〜３０００Ｈｚ、パルス幅０．０００１〜１００００ｍｓ、平均磁場強度０．１〜１００Ｔであることを特徴とする請求項３又は４に記載の生体内局所膜電位制御装置。
6. 前記変動電位変換手段が、導電体を含むことを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の生体内局所膜電位制御装置。
7. 前記導電体の表面の一部又は全面が絶縁体によって覆われていることを特徴とする請求項６に記載の生体内局所膜電位制御装置。
8. 電流の供給により変動磁場を生成する変動磁場生成手段と、該変動磁場生成手段に電流を供給する電流供給部と、該変動磁場生成手段によって生成された変動磁場を変動電位に変換して生体に変動電位刺激を与える変動電位変換手段と、を含み、
   前記変動電位変換手段は、前記電流供給部からの電流供給によって前記変動磁場生成手段が生成した変動磁場を生体内局所において変動電位に変換して、該変動電位を生体に与えて、可逆的細胞脱分極又は伝播性抑制を生じさせることを特徴とする神経機能回復装置。
9. 前記変動磁場生成手段が生成する変動磁場が、パルス磁場であることを特徴とする請求項８に記載の神経機能回復装置。
10. 前記変動磁場生成手段が生成する変動磁場が、周波数１〜３０００Ｈｚ、パルス幅０．０００１〜１００００ｍｓ、平均磁場強度０．１〜１００Ｔであることを特徴とする請求項８又は９に記載の神経機能回復装置。
11. 前記変動電位変換手段が、導電体を含むことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の神経機能回復装置。
12. 前記導電体の表面の一部又は全面が絶縁体によって覆われていることを特徴とする請求項１１に記載の神経機能回復装置。
    

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