JP2007518541A - 細胞移動によって電極と細胞とを近接させる神経刺激アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】神経細胞とこの細胞に近接した電極とを選択的かつ低侵襲的な方法で電流を通すための装置及び方法を提供することである。
【解決手段】生体神経回路網における神経細胞を選択的に励起又は検出するためのインターフェースを提供する。インターフェースは細胞膜を貫通する多くのチャンネルを備えた細胞膜を含み、各チャンネルは少なくとも１つの電極を有する。生体神経回路網における神経細胞はチャンネルに向かって成長又は移動し、その結果、電極に近接した状態になる。１つ以上の神経細胞がチャンネルに向かって成長又は移動すると、チャンネル中の電極に印加された電圧は選択的にそのチャンネル内で神経細胞を励起する。そして、これら神経細胞の励起はチャンネル内で刺激された神経細胞に関連する神経回路網（すなわち、細胞及び軸索）を通じて伝達される。
【選択図】図１１

Description

本発明は概して神経細胞の電気的な刺激又は検出に関し、より詳しくは、神経細胞に選択的に電流を通す電極配置に関する。

一般的に網膜色素変性症や加齢黄斑変性症などの失明へとつながる様々な変性性網膜疾患は、主として網膜中の光受容体（すなわち、桿体（rod）及び錐体（cone））が劣化することにより引き起こされる。一方で双極細胞や神経節細胞などの網膜の他の部分は大半が機能している。

従って、ここしばらく調査されてきた、上記状態によって引き起こされた失明を治療する方法は、網膜の機能部分に接続され光受容体の機能を備える人口網膜を提供することであった。

網膜の機能部分への人口網膜の接続は一般的に電極アレイによって達成される（例えば、マイケルソンへの米国特許４，６２８，９３３を参照）。マイケルソンは、「イン回路テスター」構成（bed of nails configuration）における裸電極の規則的配列構造を教示し、また同軸電極の規則的配列構造が電極間のクロストークを減少させることを教示している。刺激すべくマイケルソンの電極を網膜の細胞に接近して配置することも可能であるが、マイケルソンの電極構成は低侵襲的ではなく、また網膜の機能部分への損傷を避けるのは難しいであろう。

或いは、電極を有する人工器官を、網膜内境界細胞膜に浸入させることなく網膜膜（すなわち、網膜と硝子体液との間）に配置することができる（例えば、デ・ホアン等への米国特許５，１０９，８４４参照）。デ・ホアン等による配置はマイケルソンの方法より侵襲的ではないが、デ・ホアン等の電極と刺激すべき網膜細胞との間の距離間隔はマイケルソンの方法のものより大きい。

電極と細胞との間の距離間隔が増大するに従って電極のクロストーク及び細胞を刺激するのに必要な電力がともに増えるため、このような電極と細胞との間の大きな距離間隔は望ましくない。その上、増大した電力には更に、生体組織で抵抗加熱を増加させたり、電極における電気化学的活性を増加させるような望ましくない影響がある。

シュタイン等への米国特許３，９５５，５６０は、電極と神経線維（すなわち、軸索）との間にわずかな間隔を提供する一方で、神経が切断されて、その後軸索が人工器官と人工器官中に埋め込まれた電極とを通って再生する非常に侵襲的な手順を必要とする方法に関する例である。

細胞に電流を通すための別の方法は、ケニーへの米国特許６，５５１，８４９でも考慮されている。この方法では、針の配列はシリコン基板上にリソグラフ技術によって形成される。しかしながら、上述したマイケルソンの参照例のように、そのようなたくさんの針を組織内へ挿入することは低侵襲的ではない。その上、ケニーのシリコン針の側面は露出されており、細胞へ電流を通すことができ、望ましくないことに、これは細胞の励起の空間精度を低める。

したがって、本発明の目的は、神経細胞とこの細胞に近接した電極とを選択的かつ低侵襲的な方法で電流を通すための装置及び方法を提供することである。

本発明の他の目的は、電極と細胞との間の距離を可能な限り小さくするために、神経細胞の刺激電極への移動（migration）を引き起こし又は可能とすることである。

本発明の更なる目的は、神経細胞の移動を引き起こし又は可能としたときに、生体神経回路網の機能を確保することである。

本発明の更に異なる目的は、隣接する電極間のクロストークを低減することである。

本発明の他の目的は、細胞を励起するために低しきい電圧及び低しきい値電流を確保することである。

本発明の更なる目的は、神経組織の人工器官への物理的な固定を可能とするインターフェースを提供することである。

本発明の更に異なる目的は、電流密度を下げて、これにより電気化学的腐食を減少させるために、大きな電極表面積を提供することである。

本発明の効果は、生体神経回路網の信号処理機能を確保しながら、選択された細胞又は一群の神経細胞を刺激電極又は検出電極に近接させることができるということである。本発明の更なる効果は、細胞を電極に近づけることにより、細胞の励起に必要な電力が低減され、組織の加熱及び電極の腐食が低減されることである。

本発明の他の効果は、細胞と電極との間が近接していることにより、選択されない細胞とのクロストークを減少させ、空間分解能を向上する電極の充填密度を高めることである。

本発明は、生体神経回路網における神経細胞の選択的な励起又は検出のためのインターフェースを提供する。インターフェースは細胞膜を貫通する多くのチャンネルを備えた細胞膜を含み、各チャンネルはその中に少なくとも１つの電極を有する。生体神経回路網における神経細胞は、チャンネルに向かって成長又は移動し、その結果、電極に近接した状態になる。

１つ以上の神経細胞がチャンネルに向かって成長又は移動すると、チャンネル内の電極に印加された電圧はそのチャンネル内で１つ（又は複数）の神経細胞を選択的に励起する。そしてこれら神経細胞の励起は、チャンネル内で刺激された神経細胞に関連する神経回路網（すなわち、細胞及び軸索）を通じて伝達される。或いは、生体神経回路網内の活性によるチャンネル内における１つ（又は複数）の神経細胞の励起は、チャンネル内の電極によって選択的に検出される。

本発明の変更実施形態は、基板上の導電性の柱の配列によって細胞の励起を提供する。選択的な細胞の励起を提供するために、柱は絶縁した側面と露出した上面とを有する。より詳しくは、柱の直径に相当する（又は柱の直径よりも小さな）距離だけ、柱の上面から離隔した細胞が励起される。柱は、柱の間で細胞が移動するのに十分な距離だけ間隔をおいて配置され、組織内へ所定の深さにゆっくりと且つ非破壊的に浸入させる。

図１は細胞膜１１０を貫通する複数のチャンネル１２０を備えた細胞膜１１０を有する本発明の１実施形態を示している。図１の例では、細胞膜１１０は望ましくは網膜１３０の下に位置する。一般的な網膜１３０は光受容体（すなわち、桿体及び／又は錐体）１４０、内顆粒層細胞１５０（例えば、双極細胞）、神経節細胞１６０及び、視神経１７０と接続する軸索を含んでいる。細胞膜１１０は、実質的に非導電性で且つ生体神経回路網における神経組織の形状に適合するのに十分に柔軟であれば、如何なる生体適合性材料を用いてもよい。細胞膜１１０に好適な材料としては、マイラー及びＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）が含まれる。

細胞膜１１０の厚さは０．５ｍｍ未満であって、望ましくは約５ミクロンから約１００ミクロンの間である。チャンネル１２０は細胞膜１１０を完全に貫通し、実質的に円形であることが好ましいが、如何なる形状であってもよい。図１中の網膜１３０は生体神経回路網の１例である。本発明はあらゆる種類の生体神経回路網に適用できる。これらに限定されるものではないがこの生体神経回路網には、中枢神経系（ＣＮＳ）神経回路網（例えば、大脳皮質）、ＣＮＳ内の細胞核及び、ＣＮＳ外部の神経節が含まれる。生体神経回路網は、それぞれに与えられた１組の入力信号に平行に対応する、相互に接続された生体処理回路（すなわち、ニューロン）から構成されている。

図２は図１の細胞膜１１０のチャンネル１２０へ細胞が移動した状態を示している。細胞膜１１０が神経組織の層の近くに配置されると、神経組織層中の神経細胞はチャンネルに向かって成長又は移動する傾向がある。この成長の過程は、細胞の自然な生体反応であり、栄養物、空間及び、これらの細胞に適切な表面形態の存在に依存する。随意的に、神経細胞の移動又は成長を増進する（低下させる）ために、成長（又は抑制）因子が含まれてもよい。そのような因子には、脳由来神経栄養因子（brain-derived neurotrophic factor：BDNF）、毛様体神経栄養因子（ciliary neurotrophic factor：CNTF）、ホルスコリン（Forskolin）、ラミニン（laminin）、Ｎ−ＣＡＭ、及び修飾Ｎ−ＣＡＭが含まれるが、これらに限定されるものではない。

しかしながら、そのような成長因子又は制御因子は必ずしも必要ではない。図２の例では、細胞２１０は、網膜下に配置された細胞膜１１０のチャンネル１２０内へ、及び／又はチャンネル１２０を通って移動した神経細胞１５０である。各チャンネルの直径は、神経細胞１５０の移動を許容するのに十分な程度であり、望ましくは約５ミクロンから約２０ミクロンの範囲である。我々は、そのような細胞移動は、細胞膜１１０が網膜下（すなわち、目の網膜と外側の層との間）に配置されるときに容易に起こる傾向があり、細胞膜１１０が網膜上膜（すなわち、網膜と硝子体液との間）に配置されるときには容易に起こらない（全く起こらない）傾向があることを実験により見出した。チャンネル１２０内への及びチャンネル１２０を通る神経細胞１５０の浸入は、網膜１３０を細胞膜１１０へ物理的に固定する。

図３は図２に示した構成のチャンネルの拡大図を示している。図３の例では、電極３１０は、神経細胞２１０とそれらの軸索がチャンネルを通って移動し成長するのに十分な空間を残して、細胞膜１１０のチャンネル１２０の中に配置されている。この細胞移動の結果、電極３１０は神経細胞２１０に接近する。電極３１０は細胞膜１１０の底面（すなわち、生体神経回路網と反対側を向いた細胞膜１１０の表面）に達しているのが示されている。ワイヤ（図示せず）によって電極３１０を、入力及び／又は出力端末（図示せず）、或いは、細胞膜１１０中の回路に接続することができる。

そして、電極３１０及び随意的なワイヤが細胞膜１１０の底面に存在する場合、電気的に絶縁するために、非導電層３５０が電極３１０を（存在するのであれば、ワイヤをも）覆って細胞膜１１０の底面に配列されるのが望ましい。図４は、図３に示した構成を有する２つのチャンネル１２０の非導電層３５０を見上げた状態を示している。また図４は、電極３１０と細胞２１０との間が近接していることを示している。

電極３１０は、神経細胞２１０と電気接触しているが、神経細胞２１０と物理的接触をしていてもしていなくてもよい。電極３１０が細胞２１０を刺激し、又は電極３１０が細胞２１０の活性を検出するのに電極３１０と細胞２１０との間の物理的接触は必要ではない。

図５は図２に示した構成の作用を示す。チャンネル１２０内の選択された神経細胞（又は複数の細胞）５１０は、同じチャンネル内の電極によって電気的に励起される。神経細胞（又は複数の細胞）５１０からの刺激は選択された神経節細胞５２０を励起し、順に選択された視神経繊維５３０を励起する。

図１〜５について説明した構成により、本発明の多くの利点が提供される。特に、電極３１０と移動した細胞２１０との間が近接することにより、り細胞２１０を励起するのに必要な電力を低減し、選択されない細胞（すなわち、特定の電極３１０に対応するチャンネル１２内に存在しない細胞）へのクロストークを減少させる。細胞２１０を励起するのに必要な電力の削減は、組織の加熱を減少し、電極３１０の電気化学的浸食を減少させる方向に導く。選択されていない細胞へのクロストークの減少は、空間分解能を向上させる。更に、電極３１０が細胞膜１１０によって互いに十分に離隔されるので、電極から電極へのクロストークも減少する。その上、チャンネル１２０内への神経細胞１５０の成長及び／又は移動は、網膜１３０の既存の機能を確保する。

しかしながら、図１〜５に示された構成は、チャンネル１２０を通り抜ける細胞の成長及び／又は移動を直接的に制限しない。我々は、多くの細胞がチャンネル１２０を通って成長又は移動し、細胞及び／又は網膜と反対側を向く細胞突起の著しく無秩序（uncontrolled）な「ふさ（tuft）」を形成する場合があることを見出した。そのような無秩序なふさの成長は、隣接するふさと融合し、望ましくないことにクロストークを増加させる傾向がある。また、電極３１は小さな表面積を有するため、電流密度を増加させ、その結果、電極３１０に望ましくない電気化学的活性を増加させる。

図６は、そのような無秩序な網膜のふさ（retinal tuft）の形成を防止し、電極表面積増大する、本発明の実施形態によるインターフェース６００を示す。図６の実施形態では、第１の層６１０と第２の層６３０は図１の細胞膜１１０に類似した細胞膜を形成する。チャンネルは第１の層６１０と第２の層６３０両方を貫通する。第２の層６３０のチャンネルの直径ｄ２は第１の層６１０のチャンネルの直径ｄ１より大きい。層６１０と層６３０の合計の厚さは０．５ｍｍ未満である。層６１０の厚さは望ましくは約１０ミクロンから約５０ミクロンの間である。層６３０の厚さは望ましくは約５ミクロンから約５０ミクロンの間である。第１の層６１０とストップ層６２０との間に第２の層６３０がくるように、ストップ層６２０は配置される。ストップ層６２０は、直径ｄ３が層６１０と層６３０とを通ってチャンネルに配列された状態で、孔を有している。電極６４０は第２の層６３０に面している第１の層６１０の表面に配置される。

層６１０、６２０、及び６３０は、実質的に電気的に絶縁性であり、且つ生体神経回路網における神経組織の形状に適合するのに十分柔軟な生体適合材であれば、いかなるものであってもよい。適当な材料にはマイラー及びＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）が含まれる。

第１の層６１０は生体神経回路網（図６には示さず）に近接しており、また、生体神経回路網に面している。図１に示す網膜１３０はそのような生体神経回路網に関する１例である。図２で説明したように、十分な空間があれば、細胞は層６１０内のチャンネル内に成長又は移動する傾向がある。従って、直径ｄ１は神経細胞（図１の１５０などの）の移動を許容するのに十分大きく、望ましくは約５ミクロンから約５０ミクロンの範囲内である。

ストップ層６２０の機能は、栄養物が層６１０と層６３０とを貫通するチャンネル内で細胞（又は複数の細胞）へと流れるのを可能としながら、ストップ層６２０を通り抜けた網膜のふさの無秩序な成長を防止することである。したがって、直径ｄ３は、ストップ層６２０を通り抜ける細胞（又は、細胞突起）の成長又は移動を防ぐのに十分小さく、ストップ層６２０を通り抜ける細胞移動を防ぐために約５ミクロン未満であることが望ましい。或いは、ストップ層６２０はそれぞれが約５ミクロン未満の直径を有するいくつかの小さな孔を含んでもよく、この場合、層６２０の孔は第２の層６３０内のチャンネルに配列される。より一般的には、ストップ層６２０は、栄養素の流れを許容するのに十分大きく、且つ細胞がストップ層６２０又は栄養素の流れに対して透過性の細胞膜を通って移動するのを防ぐのに十分小さな、少なくとも１つの孔を有する不浸透性の細胞膜であってもよい。

直径ｄ２は直径ｄ１より大きいので、網膜のふさは第２の層６３０を貫通するチャンネル中で形成される。網膜のふさの最大サイズはストップ層６２０によって決定されるので、そのような網膜のふさの形成は無秩序ではない。事実、インターフェース６００の網膜への物理的な固定が改善される傾向があるので、秩序ある網膜のふさの形成は好ましい傾向である。

電極６４０は、第２の層６３０に面する第１の層６１０の表面上で、２つの層を貫通するチャンネル内に配置される。直径ｄ２がｄ１より大きいので、電極６４０の表面積は、（図３に示すように）その長さに沿って一定のチャンネル直径を有するチャンネル内の電極の面積より著しく大きくすることができる。直径ｄ２は望ましくは、約１０ミクロンから約１００ミクロンである。図６の例では、電極６５０は第１の層６１０の上面上に配置される。電極６４０と電極６５０との間の印加電圧は、第１の層６１０を貫通するチャンネル内に電場を発生させる。

本発明の１つの変形例は、その表面積をさらに増大させて、電流密度とこれに関連する導電層の電気化学的浸食の程度とをさらに減少させるために、電極６４０を被覆することである。例えば、カーボンブラックは約１０００m２／ｇの表面積を有し、そのため、電極６４０におけるカーボンブラックの被覆はその有効表面積を著しく増大させることができる。このような被覆に適切な他の材料には、白金黒、酸化イリジウム、及び塩化銀が含まれる。

チャンネルを形成するのにレーザー加工を使用することができる。図６の実施形態の場合では、最も大きい孔（すなわち、第２の層６３０を貫通するチャンネル）が最初に形成されて、次に層６３０と層６１０が互いに接続される。次に、既に形成された孔に整列させて次に大きい孔が形成される。そしてストップ層６２０が第２の層６３０に取り付けられる。最後に、既に形成された孔を使用して整列させて（必要であれば）最も少さい孔がストップ層６２０に形成される。また、レーザー加工で第１の層６１０の電極６４０を形成することができる。例えば、第１の層６１０は層６１０の表面に配置され、最終的に第２の層６３０に面する金属の連続薄膜を有し、この金属の連続薄膜のレーザー加工は電極６４０（及び、随意的に、図３について説明した、これら電極に接続されたワイヤ）を作成することができる。これらの作業を行うレーザー加工方法は当該技術分野で周知である。

図７は、網膜の複数の点に選択的な接触を行うために、図６による数個のインターフェース６００（６００ａ、６００ｂ、６００ｃなど）を含むインターフェース７００を示している。一般的に、インターフェース７００内のインターフェース６００は、２次元アレイとして配置され、各チャンネルはアレイのピクセルに対応する。図７の実施形態では、電極６５０は望ましくは、全てのチャンネルに共通の電極である。伝導が主にインターフェース６００を囲む余分な細胞流体を通るので、異なるアレイ素子に対応する電極６４０間の抵抗は、主にストップ層６２０の孔の直径ｄ３によって決定される。従って、ｄ３（又は同意義のストップ層６２０の開放されている空間の合計）の選択は、（ｄ３を減少させることによって）電極から電極へのクロストークを減少させることと、（ｄ３を増加させることによって）十分な栄養素の流れを提供することとの間のトレードオフによって決定される。

図８は、１つの細胞８２０が第１の層６１０を貫通するチャンネル内に移動したインターフェース６００の作用を示す。実際には、いくつかの細胞がこのチャンネルに存在していてもよいが、それが励起選択性が最大となるので、チャンネル内に１つの細胞しか存在しない理想的な状況が好ましい。電極６４０と電極６５０との間の電位差は、図示するように、細胞８２０を貫通する電場８１０を生成する。電場８１０は細胞８２０を励起するために細胞８２０の極性をなくし、そして、結果として生じる信号は図５に示すように残りの網膜に伝播する。

図９は、インターフェース６００の変形例の１つであるインターフェース９００の作用を示す。インターフェース９００では、電極６４０及び／又は絶縁中間層９２０は、第１の層６１０を貫通するチャンネルへ部分的に延びている。図９の例は、電極６４０とチャンネルに延びる中間層９２０の両方を示している。このような最小のチャンネル直径の減少は、電極６４０のインピーダンスが増加するので、細胞８２０を励起するのに必要な電力を減少させる。電極６４０と中間層９２０の小さな開口部の近くに位置する細胞８２０の一部は極性をなくす。また、電極６４０を拡大させるとこのようにその表面積をさらに増大させるため、好ましいことに、電極６４０の電気化学的浸食の程度を低下させる。

図１０は本発明の別の実施形態によるインターフェース１０００の作用を示す。図１０の実施形態では、第１の層１０１０及び第２の層１０２０は図１の細胞膜１１０に類似した細胞膜を形成する。チャンネルは第１の層１０１０と第２の層１０２０の両方を貫通し、第２の層１０２０のチャンネル直径は第１の層１０１０のチャンネル直径より大きい。層１０１０と層１０２０の厚さの合計は０．５ｍｍ未満である。図１０に示すように、第２の層１０２０の厚さは、第２の層１０２０内の秩序ある網膜のふさの形成に空間を提供するために、一般的な細胞寸法の約数倍である。層１０１０は望ましくは、約５ミクロンから約５０ミクロンの間の厚さを有する。層１０２０は望ましくは、約５ミクロンから約１００ミクロンの間の厚さを有する。ストップ層１０３０は、第２の層１０２０が第１の層１０１０とストップ層１０３０との間になるように配置される。

ストップ層１０３０の機能は、栄養物が層１０１０と層１０２０とを貫通するチャンネル内で細胞（又は複数の細胞）に流れるのを許容する一方で、ストップ層１０３０を通り抜けた網膜のふさの無秩序な成長を防止することである。ストップ層１０３０は、層１０２０を通るチャンネルに配列されたいくつかの小さな孔を有している。望ましくは、これらの孔は、孔を通り抜ける細胞移動を防止するために、それぞれ約５ミクロン未満の直径を有する。或いは、図６に示すように、ストップ層１０３０は１つのチャンネルあたり１つの小さな孔を有してもよい。より一般には、ストップ層１０３０は、栄養素の流れを許容するのに十分大きく、且つ細胞がこれを通って移動するのを防ぐのに十分小さな、少なくとも１つの孔を有する不浸透性の細胞膜であってもよく、又は栄養素の流れに対して透過性の細胞膜であってもよい。

電極１０９０は第２の層１０２０に面する第１の層１０１０の表面に配置され、別の電極１０８０は第２の層１０２０と反対側を向いた第１の層１０１０の表面に配置される。光電回路１０７０（例えば、光ダイオード、光トランジスタなど）は、第１の層１０１０内に組込まれ、電極１０８０と電極１０９０とに接続される。電極１０８０は、望ましくは透明であり、及び／又は、光が光電回路１０７０へ貫通することを可能とするような方法でパターン形成される。電極１０８０も望ましくは、全てのチャンネルに共通である。

図１０の実施形態は電極１０９０に接続された光電回路１０７０を提供する。従って、層１０１０は、光電回路１０７０（例えば、ガリウム：ＧａＡｓなどのような様々な化合物半導体のいずれも）の製作を可能とする光電性材料から組立てられるのが望ましい。

その上、この実施形態には、層１０２０と層１０３０とが、層１０１０の材料の加工技術と適合する材料であることが都合がよい。例えば、層１０２０と層１０３０とは、重合体（例えば、フォトレジスト）又は無機物（例えば、酸化物又は窒化物）であってもよい。層１０１０と層１０２０を貫通するチャンネル（及び、層１０３０を貫通する孔）は、多くのチャンネルを有する装置を早く作成できるように、望ましくはリソグラフィーにより形成される。上述した材料は通常生体適合性でないので、そのような材料で作られる本発明の実施形態は生物学的不動態化することが望まれる。このような材料に適切な生物学的不動態化技術は当該技術分野で周知である。

インターフェース１０００の作用では、光電回路１０７０に影響を及ぼす光は電極１０８０と電極１０９０との間の電位差を発生させる。随意的に、光電回路１０７０のイルミネーションに敏感な電極１０８０と電極１０９０とで信号を増加させる増幅回路（図示せず）により、光電回路１０７０の信号の電子増幅が行われる。電極１０８０と電極１０９０との間の電位差は、チャンネル内の細胞１０５０を貫通する電場１０４０を発生させる。電場１０４０による細胞１０５０の励起は、図５に示すように網膜を選択的に励起させる。

電極１０９０の電気励起は望ましくは、二相電気パルスとして提供される。例えば、二相パルス１０７４を流す電力線１０７２は、感光部材１０７０による制御を受ける刺激電極１０９０に二相電流パルスを提供することができる。電流は（概ね電界の向きの線１０４０に沿って）刺激電極１０９０とリターン電極１０８０との間を流れる。

図１１は、チャンネル電極の位置決めを除いて図１０の実施形態と同様の本発明の変更実施形態を示す。図１１のインターフェース１１００では、第１の層１１１０と第２の層１１２０とが図１の細胞膜１１０に類似する細胞膜を形成する。チャンネルは第１の層１１１０と第２の層１１２０の両方を貫通し、第２の層１１２０のチャンネル直径は第１の層１１１０のチャンネル直径より大きい。層１１１０と層１１２０との厚さの合計は０．５ｍｍ未満である。

図１１に示すように、第２の層１１２０の厚さは一般的な細胞寸法の約数倍であり、第２の層１１２０内の秩序ある網膜のふさの形成に十分な空間を提供する。層１１１０は望ましくは、約５ミクロンから約５０ミクロンの間の厚さを有する。層１１２０は望ましくは、約５ミクロンから約１００ミクロンの間の厚さを有する。基板１１３０は第２の層１１２０の下に且つ第２の層１１２０に接触して配置される。

電極１１９０は第１の層１１１０と第２の層１１２０とを貫通するチャンネルに面する基板１１３０の表面上に配置される。したがって、基板１１３０はチャンネルに端面を与え、電極１１９０はこの端面に配置される。この実施形態では、多くのチャンネルが一般的に加工され、各チャンネルは基板１１３０により形成された端面上の電極に対応する端面を有している。別の電極１１８０は第２の層１１２０と反対側を向いた第１の層１１１０の表面上に配置される。光電回路１１７０（例えば、光ダイオード、光トランジスタなど）は、基板１１３０内に組込まれ、電極１１９０に接続される。電極１１８０は、望ましくは光透過性であり、及び／又は、光が光電回路１１７０へ貫通することを許容するような方法でパターン形成される。電極１１８０も望ましくは、全てのチャンネルに共通である。

図１１の光電性の実施形態の作用は図１０の実施形態の作用と同様である。電極１１８０と電極１１９０との間の電流（例えば、電流１１４０）がチャンネルの広い部分よりチャンネルの狭い部分に集結されるため、インターフェース１１００はチャンネルの（すなわち第１の層１１１０を貫通する）狭い部分で細胞（例えば、細胞１１５０）を選択的に励起させる。

電極１１９０は望ましくは、二相電気パルスとして電気励起される。例えば、二相パルス１１７４を流す電力線１１７２は、二相電流パルスを光電性部材１１７０により制御される刺激電極１１９０に送る。電流１１４０は刺激電極１１９０とリターン電極１１８０との間を流れる。

図１１の実施形態は、第１の層１１１０と第２層１１２０とにより形成された細胞膜内に、個別にアドレス可能などのような回路も必要としないので、複雑な加工を効果的に減少させる。或いは、個別にアドレス可能な回路（すなわち、電極１１９０、及び随意的に光電回路１１７０）は、基板１１３０に含まれ、（基板１１３０には細孔がないので）標準の電子回路製造プロセスで効率的に製造することができる。層１１１０と層１１２０とによって形成された細胞膜が（すべてのピクセルに共通な）電極１１８０のみを含んでいるので、この細胞膜の製造は非常に簡易である。細胞膜と基板１１３はそれぞれ別々に作成し、最終組立工程で結合すればよい。或いは、回路と基板１１３０の電極を慣習的な方法で作成した後に、基板１１３０上にリソグラフにより細胞膜を作成してもよい。

図１１の実施形態の孔隙でブロックされた細胞は時間がたつにつれてその表現型を変える（死にさえする）場合がある。別の望ましくない可能性としては、電気的に不活性な細胞が優先的にこれら孔隙に移動するかもしれない（例えば、グリア又はミューラー細胞が神経細胞よりも素早く移動するかもしれず、その結果、比較的不活性な細胞が孔隙を満たす）ということである。

これらの可能性は図１２ａ，１２ｂの実施形態を動機づけることになる。この方法では、神経細胞への選択的接触を行うように電極が柱の上に配置される。より明確には、柱１２０４は基板１２０２上に配置される。望ましくは、柱の高さは２０μｍから２００μmの間であり、柱の直径は５μｍから２５μmの間であり、柱の間の側部の空間は２０μｍから１００μmの間である。電極が柱１２０４の上端で神経細胞１２１２に露出されるように、電極（又は導線）１２０６は柱１２０４上に配置される。しかしながら、柱１２０４の側面は絶縁層１２１０によって細胞１２１２から電気的に絶縁される。柱の側面の電気絶縁は、従来の「イン回路テスター」電極配列と比べて、励起の選択性を改良する。電極１２０６が励起されると、活性電極に近接した神経細胞１２１２を励起する。そして、刺激された神経細胞は信号を神経線維１２１４に提供する。

共通のリターン電極１２０８は絶縁層１２１０上に配置することができる。ある場合では、図１２ａに示すように、リターン電極１２０８は柱１２０４の側面に広がらない。他の場合では、図１２ｂに示されるように、リターン電極１２０８’は少なくとも柱１２０４の側面の一部に広がっている。

図１２ａ，１２ｂのインターフェースは生体神経回路網に物理的に挿入することができるが、インターフェースを神経回路網に接近して位置決めして、柱の間の位置で細胞移動を可能とし又は引き起こすのが望ましい。その結果、図１２ａ，１２ｂのインターフェースを、電極インターフェースの物理的な挿入に関連して細胞に損傷を与えないで、ゆっくりと移動する（又は全く移動しない）細胞に選択的に接触させることができる。細胞移動を可能とし又は引き起こす適切な方法は上述の通りである。

図１２ａ，１２ｂの実施形態を製造するための１つの方法は、従来の手段によってその中に製造された回路（例えば、電極ボンドパッド、随意的な光電回路など）を含む基板１２０２から開始することである。フォトレジスト層が配置され、柱１２０４を作成するためにパターン形成される。次に、第１の金属層が、基板１２０２に接続された電極１２０６を作成するために配置されて、パターン形成される（一般的には、１つの電極と１つの接続が電極アレイのピクセル単位で作られる）。次に、柱の上端が露出され、インターフェースの他のすべての部分が実質的に絶縁されるように、電気絶縁体が絶縁層１２１０を作成するために配置されて、パターン形成される。そして次に、絶縁層１２１０の上に共通の電極１２０８を作成するために、第２の金属層が配置されて、パターン形成される。或いは、（フォトレジストの代わりに）導電材料から柱１２０４を作成してもよい。

いくつかの実施形態にそって本発明について説明してきたが、これら実施形態は限定的なものではなくむしろ全ての態様の説明に役立つことを意図している。したがって、本発明はここに含まれる記載から得られる詳細な実施について、当業者によって様々に変化させることができる。

例えば、栄養物の流れを促進し、及び／又は確実にするために細胞膜に追加的に細孔を含ませてもよい。この場合、そのような細孔の直径は、これらの追加的細孔（すなわち、ふさの形成）を貫通して神経細胞の移動を防止するためにチャンネルの直径より小さく、一方栄養物の流れを確実にするのに十分大きくする。特定の細胞群、例えば双極細胞のみ、或いは特定の種類双極細胞（例えば、”オン”又は”オフ”細胞）のみの移動を確実にするために、特定の成長因子又は表面被覆を用いてもよい。また、神経組織への物理的な固定のために他のチャンネル又は細孔を設計する一方で、インターフェースに刺激を目的としたいくつかのチャンネル又は細孔を備えさせてもよい。一般に、本発明によるインターフェースは、光学的に活性化されても、又は非光学的に活性化されてもよい。二相電気パルスの励起は通常、本発明のすべての実施形態において好ましい（しかし、必須ではない）。

本発明は、神経組織の下へインターフェースを配置することに限定されず、インターフェースを神経組織の上に、又は神経組織の中にも配置することができる。インターフェースは、様々な種類の神経組織に接続するために人工器官として使用することができ、人口網膜又はインターフェースに限定されるものではない。

これまで選択された神経細胞群を電気的に刺激する観点からインターフェースについて説明してきた。しかしながら、外部トリガー／励起により神経細胞内に生成された信号、例えば軽い励起により網膜細胞内に生成された信号のために測定をするのにもインターフェースを使用することができる。

図１０の説明では、図１０の実施形態に好適なリソグラフ製造方法について説明した。同様に、図６の実施形態についてレーザー加工について説明した。本発明は１つの製造方法に限定されるものではない。したがって、リソグラフの使用は図１０の実施形態に限定されるものではなく、同様に、レーザー加工の使用は図６の実施形態に限定されるものではない。

このようなすべての変形例は、特許請求の範囲とこれらの法的な均等物によって定義されるように、本発明の技術的範囲と思想の範囲内にある。

網膜の下に配置されたチャンネルを備えた細胞膜を有する本発明の１実施形態を示す。 網膜の下に配置されたチャンネルを備えた細胞膜を有し、内顆粒層からチャンネル内に移動した細胞を有する本発明の１実施形態を示す。 チャンネルの内側に露出され細胞膜の底部のチャンネル外側に被覆された電極を備えた細胞膜を有する本発明の１実施形態の側面図を示す。 図３による本発明の１実施形態の底面図を示す。 網膜の下に配置されたチャンネルを備えた細胞膜を有し、チャンネル内に移動した神経細胞を有する本発明の１実施形態を示す。 ２つの異なるチャンネル直径を備えたチャンネルを有し、栄養素の流れを許容する一方、チャンネルを通り抜けて細胞が移動するのを防止するために低部にストップ層を有する本発明の１実施形態を示す。 本発明による配列の１実施例を示す。 数個のみ（理想的には１つ）の神経細胞がチャンネルに入ることができる本発明の１実施形態を示す。電場は効果的に刺激する細胞を通じて印加される。 チャンネル内に水平方向に延在する電極及び／又は絶縁体を有する本発明の１実施形態を示す。 電極に接続された光電回路を有し、栄養素の流れを許容する一方、チャンネルを通り抜けて細胞が移動するのを防止するために低部に孔のあいたストップ層を有する本発明の１実施形態を示す。 チャンネルの端面上に配置された電極を有する本発明の１実施形態を示す。 細胞へ選択的に電流を通す柱を有する本発明の実施形態を示す。 細胞へ選択的に電流を通す柱を有する本発明の実施形態を示す。

Claims (20)

1. 生体神経回路網において複数の神経細胞に選択的に電流を通すインターフェースであって、
   ａ）０．５ｍｍ未満の厚さを有するとともに、前記厚さを貫通する複数のチャンネルを含み、前記生体神経回路網に近接して配置され、前記神経細胞が前記チャンネル内に移動（migrate）可能とされた細胞膜と、
   ｂ）前記細胞膜に近接し、前記細胞膜に面する表面が前記チャンネルのそれぞれの端面を提供する基板と、
   ｃ）前記チャンネルの前記端面上に配置された複数の第１の電極とを含み、
   少なくとも１つの前記神経細胞の前記チャンネル内への移動を可能とするのに十分な空間が前記チャンネル内に存在することを特徴とするインターフェース。
2. 前記細胞膜の厚さは約５ミクロンから約１００ミクロンの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のインターフェース。
3. 前記第１の電極は、前記神経細胞と物理的に接触し、或いは前記神経細胞から離れて配置されたことを特徴とする請求項１に記載のインターフェース。
4. 前記生体神経回路網は大脳皮質神経回路網または網膜神経回路網を含むことを特徴とする請求項１に記載のインターフェース。
5. 前記第１の電極は複数の光電回路に接続されたことを特徴とする請求項１に記載のインターフェース。
6. 前記第１の電極は表面積の広い層で被覆され、前記電極の電気化学的腐食が実質的に減少されたことを特徴とする請求項１に記載のインターフェース。
7. 前記複数のチャンネルは２次元配列に配置されたことを特徴とする請求項１に記載のインターフェース。
8. 前記チャンネルはそれぞれが実質的に円形であることを特徴とする請求項１に記載のインターフェース。
9. 前記チャンネルはそれぞれがその長さ方向に実質的に均一な直径を有し、前記直径は約５ミクロンから５０ミクロンの範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のインターフェース。
10. 前記生体神経回路網に面する前記細胞膜の表面上に配置された第２の電極をさらに含み、前記第２の電極は前記複数のチャンネル全てに共通であることを特徴とする請求項１０に記載のインターフェース。
11. 前記第２の電極は透明であることを特徴とする請求項１０に記載のインターフェース。
12. 前記細胞膜は、前記生体神経回路網に面する第１の層と、前記生体神経回路網と反対側を向いた第２の層とを含み、前記チャンネルのそれぞれは、前記第２の層の直径が前記第１の層の直径よりも大きなことを特徴とする請求項１に記載のインターフェース。
13. 生体神経回路網において複数の神経細胞に選択的に電流を通すインターフェースであって、
    ａ）基板と、
    ｂ）前記基板から延出し、互いに電気的に接続されない複数の導電性の柱であって、それらの上面は前記基板と反対側を向き且つ前記神経細胞に電流を通すことができ、それらの側面は前記神経細胞から絶縁された柱とを含み、
    前記柱間の少なくとも１つの前記神経細胞の移動を可能とするのに十分な空間が前記柱間に存在することを特徴とするインターフェース。
14. 前記生体神経回路網に面する前記基板の表面上に、部分的または全面に配置された共通の電極をさらに含み、当該共通の電極は前記複数の柱の全てに共通であることを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。
15. 前記共通の電極は透明であることを特徴とする請求項１４に記載のインターフェース。
16. 前記共通の電極は、前記柱の前記側面の少なくとも一部を覆い、前記側面から電気的に絶縁されたことを特徴とする請求項１４に記載のインターフェース。
17. 前記側面は、当該側面上に配置された絶縁層によって前記神経細胞から間隔をおいて配置されたことを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。
18. 前記基板は前記上面に接続された光電回路をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。
19. 前記柱は絶縁性柱上に配置された金属被覆を含むことを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。
20. 前記基板はシリコン回路を含み、前記柱はフォトレジストと該フォトレジスト上の導電回路配線とを含み、前記配線は前記回路に電気的に接続されたことを特徴とする請求項１３に記載のインターフェース。

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