JP2566625B2 - Bio element - Google Patents
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【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、生物の味覚細胞における情報発現及びその
伝達機能に近似する機能を有するバイオ素子に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a biodevice having a function similar to information expression in a taste cell of an organism and its transmission function.
（従来の技術） 一般に使用されるコンピュータは、代表的なシリコン
半導体素子を用いて構成され所謂フオン・ノイマン方式
の直列型の論理演算を実行するものである。この方式は
周知のように正確な論理演算に適しているが、情報の連
続的かつ並列処理に関しては幾多の未解決の問題があっ
た。(Prior Art) A commonly used computer is configured using a typical silicon semiconductor device and executes a so-called von Neumann serial logic operation. While this approach is well known for accurate logical operations, it has a number of unresolved issues regarding the continuous and parallel processing of information.
そして上記フオン・ノイマン方式のコンピユータが不
得意なものの１つにパターン認識がある。生物はこのパ
ターン認識が得意であるが、実際に生物がどのような作
用機構又は原理に基づき、または如何なる構成の素子を
用いてパターン認識を実行しているかについては不明な
点が多く、多くの研究者がこれらの解明を行っている。Pattern recognition is one of the weak points of the Huon-Neumann type computer. Organisms are good at this pattern recognition, but there are many unclear points about what kind of action mechanism or principle the organism actually uses, or what kind of constituent element is used for pattern recognition. Researchers are clarifying these.
例えば、下記文献参照。 For example, see the following documents.
（１）J.V.Brunt,バイオテクノロジーBiotechnology,Vo
l3,march,1985,209〜215頁 （２）Toko et al,バイオフイジカル ケミストリーBio
phys.Chem.23（1986）,201〜210頁 （３）相沢，学術月報Vol38,No12,1985,837〜840頁 そこでこのような生物の情報処理機能の詳細を解明し
それを模倣することができれば従来の上記フオン・ノイ
マン方式のコンピュータの不得意な情報処理を可能とす
る全く新方式のコンピュータすなわちバイオコンピュー
タを実現することが可能であると考えられている。(1) JVBrunt, Biotechnology, Biotechnology, Vo
l3, march, 1985, pages 209-215 (2) Toko et al, Biophysical Chemistry Bio
phys.Chem.23 (1986), pp. 201-210 (3) Aizawa, Academic Monthly Report Vol38, No12, 1985, pp. 837-840 Therefore, it is possible to elucidate the details of the information processing function of such organisms and imitate it. If possible, it is considered possible to realize a completely new type of computer, that is, a biocomputer, which is capable of performing unfavorable information processing of the conventional Huon-Neumann type computer.
（発明が解決しようとする課題） 生体内での情報の発生、その伝達あるいはそれらの情
報処理制御にはイオン及び化学物質が関与している。(Problems to be Solved by the Invention) Ions and chemical substances are involved in generation and transmission of information in a living body or control of information processing thereof.
そして生物は外界からの種々の刺激を受容器で入力
し、ニユーロンから構成される脳で情報として知覚して
いる。例えば味覚細胞では刺激物質を受容すると細胞電
位が変化しその後の伝達物質の放出に伴い味覚神経にイ
ンパルスが遊起される。脳では刺激物質に対するインパ
ルス数やそのパターンの変化を味として認識する。上記
味覚神経から脳への情報伝達には上述の如くイオンや化
学物質が使用され、これにより味覚神経と脳ニユーロン
間のシナプスの機能変化，形態変化が引き起こされ、学
習，記憶が行われることになる。Then, the living thing inputs various stimuli from the outside world at its receptors and perceives it as information in the brain composed of Neurone. For example, in taste cells, when a stimulant is received, the cell potential changes, and with the subsequent release of the transmitter, impulses are initiated in the taste nerve. The brain recognizes changes in the number of impulses and patterns of stimulating substances as taste. As mentioned above, ions and chemicals are used for information transmission from the taste nerve to the brain, which causes functional changes and morphological changes in synapses between the taste nerve and the brain neurons, which leads to learning and memory. Become.
即ち生物情報伝達とは、電気インパルスと化学的物質
との組合せにより行われるもので、これが電子１種のみ
による従来のフオン・ノイマン方式コンピュータの情報
処理方法と根本的に異なる点である。ここで生物の情報
処理を模倣するバイオコンピュータでは情報伝達物質と
してイオンや化学物質を用いることが考えられるが従来
そのような素子は見出されていない。That is, biological information transmission is performed by a combination of an electric impulse and a chemical substance, which is fundamentally different from the information processing method of a conventional von Neumann computer using only one kind of electron. Here, in a biocomputer that imitates information processing of living organisms, it is conceivable to use ions or chemical substances as information transmitting substances, but such elements have not been found conventionally.
この発明はバイオコンピュータの情報処理用素子とし
て、刺激物質によって電位の発振を起こすかあるいは発
振パターンを変化し、その情報をイオンや化学物質に変
換すると言う味覚細胞から脳への情報伝達に類似した素
子を提供することを目的とするものである。This invention, as an information processing element of a biocomputer, is similar to the transmission of information from taste cells to the brain, in which the potential oscillates or the oscillation pattern is changed by a stimulating substance and the information is converted into ions or chemical substances. The purpose is to provide a device.
（課題を解決するための手段） 本発明は、特に味覚細胞など生体細胞の情報伝達機能
に近似した機能を具備させたバイオ素子において、 多孔質支持体に生体類似物質であるジオレイルホスフエ
ートを含浸付着させてなる生体類似薄膜であって、味覚
細胞に対して刺激を与える刺激物質を含む第１のイオン
性水溶液と第２のイオン性水溶液とを隔てるように且つ
その一方及び他の面がそれぞれ上記第１及び第２のイオ
ン性水溶液に浸されるように設置され、該刺激物質によ
る刺激でイオン透過性を変え電位発振又は発振パターン
変化などの電気信号を発生する生体類似薄膜と、 電解液中に離間して設置され且つ上記生体類似薄膜か
らの電気信号が伝達される第１及び第２の電極であっ
て、イオン又は化学物質からなる情報伝達物質をドープ
したグラフアイト又は電解重合含有機薄膜からなり且つ
上記生体類似薄膜の一方の面の電位が伝達される第１の
電極と、上記生体類似薄膜の他方の面の電位が伝達され
る第２の電極と、 上記生体類似薄膜からの電気信号を上記第１及び第２
の電極に伝達する情報伝達回路と、を備え、 上記生体類似薄膜からの電気信号に応じて、上記記第
１電極がイオン又は化学物質からなる前記情報伝達物質
の取り込み又は放出を行うことを特徴とする。(Means for Solving the Problems) The present invention particularly relates to a biodevice having a function similar to the signal transduction function of living cells such as taste cells, in which a biomimetic substance, dioleyl phosphate, is added to the porous support. A biomimetic thin film formed by impregnating and adhering the first ionic aqueous solution and the second ionic aqueous solution containing a stimulating substance that stimulates taste cells so that one and the other surfaces are separated from each other. A biomimetic thin film which is installed so as to be immersed in each of the first and second ionic aqueous solutions, and which changes the ion permeability upon stimulation by the stimulating substance and generates an electric signal such as potential oscillation or oscillation pattern change; First and second electrodes, which are spaced apart from each other in a liquid and to which an electric signal from the biomimetic thin film is transmitted, and which are doped with an information transmitting substance composed of an ion or a chemical substance. A first electrode comprising a graphite or an electropolymerization-containing thin film and transmitting a potential on one surface of the biomimetic thin film; and a second electrode transmitting a potential on the other surface of the biomimetic thin film. The first and second electric signals from the biomimetic thin film
And an information transmission circuit for transmitting the information transmission substance to the electrode, the first electrode taking in or releasing the information transmission substance composed of an ion or a chemical substance in response to an electric signal from the biomimetic thin film. And
第１図は本発明の一実施態様を示す概略説明図であ
る。4,5は異種（例えばKCl溶液とNaCl溶液）あるいは同
種（例えばKCl溶液あるいはNaCl溶液）の水溶液であ
り、その中間に、キニーネなどの苦味物質、又はシヨ糖
などの甘味物質など刺激物質により電位発振を生ずるか
又はそのパターン変化を生じ得る有機薄膜６、具体的に
は例えば後記詳述するように生体類似物質であるジオレ
イルホスフエート（dioleyl phosphate,DOPH）を含浸さ
せたミリポアフイルター等をはさむ構成とし、該薄膜６
の両端に電気信号を発生するようになっている。発生し
た電気信号は塩橋1,標準電極2,導線３を通して電極8,9
に導かれる。これらの電極８あるいは９の一方は、電位
変化のインパルスによりイオンや化学物質の取込及び放
出を行うことができるものであって、イオン又は化学物
質からなる情報伝達物質をドープしたポリピロールなど
の電解重合含有機薄膜やグラフアイト電極などが用いら
れる。上記イオンや化学物質の取込・放出は電解液10中
で行われる。FIG. 1 is a schematic explanatory view showing one embodiment of the present invention. 4,5 are different (eg, KCl solution and NaCl solution) or the same kind (eg, KCl solution or NaCl solution) of an aqueous solution, in the middle of which an electric potential is generated by a stimulant such as a bitter substance such as quinine or a sweet substance such as sucrose. An organic thin film 6 which causes oscillation or can change its pattern, specifically, for example, a Millipore filter impregnated with a biomimetic substance, dioleyl phosphate (DOPH), is sandwiched as will be described later. The thin film 6
It is designed to generate an electric signal at both ends of. The generated electrical signal is transmitted through the Shiohashi 1, standard electrode 2, conductor 3 to electrodes 8, 9
Be led to. One of these electrodes 8 or 9 can take in and release an ion or a chemical substance by an impulse of a potential change, and is an electrolyte such as polypyrrole doped with an information transmitting substance composed of the ion or the chemical substance. Polymerization containing thin films and graphite electrodes are used. Uptake and release of the ions and chemical substances are performed in the electrolyte 10.
かかる構成を具備した本発明の素子は上述した刺激物
質により電位発振を起こすか発振パターンを変化しこれ
をイオンや化学物質の情報伝達物質に変換しこれを増幅
された信号とし得るのである。The device of the present invention having such a structure can cause potential oscillation by the above-mentioned stimulating substance or change the oscillation pattern, convert this into an information transmitting substance such as an ion or a chemical substance, and use this as an amplified signal.
（作用） この発明の素子においては、上記イオン性水溶液中に
上述の刺激物質により電位発振を起こすか発振パターン
を変化させ電気信号を発生する生体類似薄膜があり、上
記の如くこの薄膜に発生する電気信号によって上記一方
の電極（第１の電極）が情報伝達物質であるイオン又は
化学物質を取込み又は放出する作用を示し、これを情報
として処理する生体細胞特に味覚細胞に相似た作用を示
す。(Operation) In the element of the present invention, there is a biomimetic thin film that generates an electric signal by causing potential oscillation or changing an oscillation pattern by the stimulating substance in the ionic aqueous solution, and is generated in this thin film as described above. The one electrode (first electrode) exhibits an action of taking in or releasing an ion or a chemical substance which is an information transmitting substance by an electric signal, and exhibits an action similar to that of a living cell which processes as an information, particularly a taste cell.
（実 施 例） 以下、実施例により本発明を具体的に説明する。(Examples) Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples.
まず、孔径８μｍのセルロース・エステル製多孔質膜
（例えばミリポア社製のミリポア・メンブランフィルタ
ー）に生体類似物質である次式のジオレイルホスフエー
ト（DOPH）、 を３〜6mg/cm2含浸付着させた。First, a cellulose ester porous membrane having a pore size of 8 μm (for example, Millipore membrane filter manufactured by Millipore) and a biomimetic substance, dioleyl phosphate (DOPH) of the following formula, Was impregnated with 3 to 6 mg / cm 2 .
次に第１図に示すように、得られたDOPHミリポア膜６
の両側に100mMのKCl水溶液４、及び5mM KCl水溶液５を
上記DOPHミリポア膜６で隔てるようにして収容し、この
DOPHミリポア膜の両面の電位の変化を高インピーダンス
電位計で測定した。上記DOPH量4.7mg/cm2の場合、0.2μ
Ａの定電流,20cmH2Oの圧力を水溶液４から水溶液５側に
印加したところ第２図に示すような電位発振が見られ
た。尚図の横軸は時間，縦軸は5mM溶液を基準とした100
mM側の膜電位である。Next, as shown in FIG. 1, the obtained DOPH Millipore membrane 6
A 100 mM KCl aqueous solution 4 and a 5 mM KCl aqueous solution 5 were housed on both sides of the so as to be separated by the DOPH Millipore membrane 6.
The change in the potential on both sides of the DOPH Millipore membrane was measured with a high impedance electrometer. If the DOPH amount is 4.7 mg / cm 2 , 0.2μ
When a constant current of A and a pressure of 20 cmH 2 O were applied from the aqueous solution 4 to the aqueous solution 5 side, potential oscillation as shown in FIG. 2 was observed. The horizontal axis of the figure is time, and the vertical axis is 100 based on 5 mM solution.
Membrane potential on the mM side.
次に発生したインパルスを上述の第１図の塩橋１、標
準電極２、及び導線３を通して0.1Mリン酸緩衝溶液（pH
7.0）10中に浸漬した白金電極９と、あらかしめカチオ
ン性神経伝達物質アセチルコリンをドープしておいた層
状グラフアイト電極８に導いた。該グラフアイト中への
アセチルコリンのドープは0.1Mアセトニトリル溶液中で
定電位還元して行った。Next, the generated impulse is passed through the salt bridge 1, the standard electrode 2, and the lead wire 3 shown in FIG.
7.0) Platinum electrode 9 dipped in 10 and a layered graphite electrode 8 doped with the cationic neurotransmitter acetylcholine. Doping with acetylcholine into the graphite was carried out by potentiostatic reduction in a 0.1 M acetonitrile solution.
第３図は発生したインパルスによって生ずるグラフア
イト電極上のアノード電流を示したものであるが、これ
は溶液中へのアセチルコリンへの放出によるものであ
る。FIG. 3 shows the anodic current on the graphite electrode caused by the generated impulse, which is due to the release of acetylcholine into the solution.
次に苦味物質の１種であるキニーネを上述の5mM KCl
中に200μＡ量添加したところ、第４図に示すようにイ
ンパルスの発生頻度が約２倍に増加した。そしてさらに
その発生したインパルスによって生ずる上記グラファイ
ト電極８上のアノード電流は第５図に示すように著しく
変化した。Next, quinine, which is one of the bitter substances, was treated with the above-mentioned 5 mM KCl.
When 200 μA was added therein, the frequency of impulse generation increased about twice as shown in FIG. Further, the anode current on the graphite electrode 8 caused by the generated impulse changed significantly as shown in FIG.
以上本発明の実施例では、上述のDOPHミリポア膜の発
振パターンを変化させる刺激物質としてキニーネを用い
た場合を示したが、このDOPH膜の場合は他にニコチン等
の他の苦味物質、NaClなどの塩味成分に対しても同様に
インパルス発生頻度を増加する。逆にシヨ糖などの甘味
物質,HClなどの酸味物質では上記インパルス発生頻度が
減少するが、これを情報として同様にイオン、化学物質
の変換がなし得る。In the embodiments of the present invention described above, quinine was used as a stimulating substance for changing the oscillation pattern of the DOPH Millipore film, but in the case of this DOPH film, other bitter substances such as nicotine, NaCl, etc. Similarly, the frequency of impulse generation also increases with respect to the salty component of. On the contrary, a sweet substance such as sucrose and a sour substance such as HCl reduce the frequency of impulse generation, and with this information as information, ions and chemical substances can be similarly converted.
更に化学物質を取込・放出する電極については本実施
例では、カチオン性神経伝達物質アセチルコリンを取込
・放出するグラフアイト電極の例をあげたが、かかるグ
ラフアイトに限らずポリピロールなどの導電性高分子を
電気化学的に重合した電解重合有機薄膜などでも同様な
効果が得られる。Further, regarding the electrode that takes in and releases the chemical substance, in this example, the example of the graphite electrode that takes in and releases the cationic neurotransmitter acetylcholine was given, but the conductive material such as polypyrrole is not limited to such a graphite. The same effect can be obtained with an electrolytically polymerized organic thin film obtained by electrochemically polymerizing a polymer.
（発明の効果） 以上詳細に説明したように本発明の素子によれば上述
の如くイオン性水溶液中に味覚細胞に対して刺激を与え
る刺激物質即ち味覚物質が存在することにより、生体類
似薄膜（多孔質支持体に生体類似物質であるジオレイル
ホスフェートを含浸付着させてなる生体類似薄膜）に電
位発振又は発振パターン変化などの電気信号が発生し、
この薄膜に発生する電気信号によって上記電極が情報伝
達物質であるイオン又は化学物質を取込み又は放出する
作用を示し、これを情報として処理する、生体細胞、特
に味覚細胞に類似の機能を有する素子であるのでバイオ
コンピユータを構成する有用な素子となり得る。(Effects of the Invention) As described in detail above, according to the element of the present invention, as described above, the presence of the stimulating substance that gives a stimulus to taste cells, that is, the taste substance, in the ionic aqueous solution causes the biomimetic thin film ( An electrical signal such as potential oscillation or oscillation pattern change is generated in a biomimetic thin film obtained by impregnating and adhering a biomimetic substance, dioleyl phosphate, to a porous support,
An element having a function similar to that of a living cell, particularly a taste cell, in which the electrode shows an action of taking in or releasing an ion or a chemical substance which is a signal transmitting substance by an electric signal generated in this thin film, and processing this as information Therefore, it can be a useful element that constitutes a biocomputer.
第１図は本発明の一実施態様の概略説明図、第２図乃至
第５図は電位パルス波形図である。 １……塩橋、３……導線、4,5……イオン溶液、６……
薄膜、8,9……電極。FIG. 1 is a schematic explanatory view of an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 5 are potential pulse waveform diagrams. 1 ... Salt bridge, 3 ... Conductor wire, 4,5 ... Ionic solution, 6 ...
Thin film, 8,9 ... Electrodes.
フロントページの続き (72)発明者 加藤 雅一 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電 気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−32364（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−270267（ＪＰ，Ａ) 「計測と制御」Ｖｏｌ．25，Ｎｏ．５ （1986），Ｐ．475Front page continuation (72) Inventor Masakazu Kato 1-7-12 Toranomon, Minato-ku, Tokyo Oki Electric Industry Co., Ltd. (56) Reference JP-A-63-32364 (JP, A) JP-A-1 -270267 (JP, A) "Measurement and control" Vol. 25, No. 5 (1986), p. 475
Claims (1)
イルホスフェートを含浸付着させてなる生体類似薄膜で
あって、味覚細胞に対して刺激を与える刺激物質を含む
第１のイオン性水溶液と第２のイオン性水溶液とを隔て
るように且つその一方及び他方の面がそれぞれ上記第１
及び第２のイオン性水溶液に浸されるように設置され、
該刺激物質による刺激でイオン透過性を変え電位発振又
は発振パターン変化などの電気信号を発生する生体類似
薄膜と、 電解液中に離間して設置され且つ上記生体類似薄膜から
の電気信号が伝達される第１及び第２の電極であって、
イオン又は化学物質からなる情報伝達物質をドープした
グラファイト又は電解重合有機薄膜からなり且つ上記生
体類似薄膜の一方の面の電位が伝達される第１の電極
と、上記生体類似薄膜の他方の面の電位が伝達される第
２の電極と、 上記生体類似薄膜からの電気信号を上記第１及び第２の
電極に伝達する情報伝達回路と、を備え、 上記生体類似薄膜からの電気信号に応じて、上記記第１
電極がイオン又は化学物質からなる前記情報伝達物質の
取り込み又は放出を行うことを特徴とするバイオ素子。1. A biomimetic thin film obtained by impregnating and adhering dioleyl phosphate, which is a biomimetic substance, to a porous support, the first ionic aqueous solution containing a stimulating substance that stimulates taste cells. The second ionic aqueous solution is separated from the second ionic aqueous solution, and one and the other surfaces thereof are respectively the above-mentioned first
And so as to be immersed in the second ionic aqueous solution,
A biomimetic thin film that changes the ion permeability by stimulation with the stimulating substance and generates an electric signal such as potential oscillation or oscillation pattern change, and an electric signal from the biomimetic thin film that is installed separately in the electrolyte and is transmitted. First and second electrodes,
A first electrode made of graphite or an electropolymerized organic thin film doped with an information transmitting substance made of an ion or a chemical substance, to which the potential of one side of the biomimetic thin film is transmitted, and another electrode of the other side of the biomimetic thin film. A second electrode to which an electric potential is transmitted; and an information transmission circuit for transmitting an electric signal from the biomimetic thin film to the first and second electrodes, according to an electric signal from the biomimetic thin film. , No. 1 above
A bio element, wherein an electrode takes in or releases the information transmitting substance composed of an ion or a chemical substance.
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