生体内で神経を光刺激する世界最小のワイヤレス型デバイスを開発

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光遺伝学の新たなツールとして脳神経科学研究や医療の発展に期待

2018/04/20 奈良先端科学技術大学院大学 科学技術振興機構(JST)

ポイント
  • 光遺伝学(オプトジェネティクス)では小型の生体埋め込みデバイス開発が望まれていましたが、1mmクラスの超小型化は実現されていませんでした。
  • 本研究では、赤外光によるエネルギー伝送方式を採用することにより、世界最小の生体埋め込み対応ワイヤレス型光刺激デバイスを開発しました。
  • 本成果は、新しい光遺伝学ツールとして、脳科学や神経科学のほか、将来的には創薬・医療分野への貢献が期待されます。

奈良先端科学技術大学院大学(奈良先端大、学長:横矢 直和)先端科学技術研究科 物質創成科学領域の徳田 崇 准教授(兼任:JST 戦略的創造研究推進事業 さきがけ研究者)らの研究グループは、生体内で神経を光刺激するための世界最小のワイヤレス型デバイスを開発しました。

生命現象を光で操作する技術は光遺伝学(オプトジェネティクス)と呼ばれ、近年飛躍的な発展を遂げています。オプトジェネティクスでは、光を生体内の狙った部位に届けるための多様な技術が提案・実現されています。特に、生体内に埋め込み可能なワイヤレス型光刺激デバイスは、実験動物の負担を減らし、自由に行動させながら脳科学実験を行えるため、大きな期待が寄せられています。

オプトジェネティクスでは青色による光刺激が特に重要ですが、青色光は生体内にほとんど入っていきません。本研究では、生体内に届きやすい赤外光を照射し、そこからエネルギーを取り出して蓄積し、青色発光ダイオード(LED)を駆動して神経刺激光を発生させる手法をとりました。このため、最も一般的な半導体集積回路製造技術であるCMOS(相補型金属酸化物半導体)注1)技術を用いた超小型の光発電・制御チップを開発し、青色LEDなどと組み合わせて体積約1mm、重量2.3mgのワイヤレス型光刺激デバイスを実現しました。この技術により、脳科学・神経科学、ひいては創薬・医療分野の発展につながると期待されます。

本研究は、奈良先端科学技術大学院大学の太田 淳 教授、モントリオール理工科大学のMohamad Sawan(モハマド・サワン) 教授らと共同で行ったものであり、米国オンライン科学誌「AIP Advances」に2018年4月20日(米国東部時間)付けで掲載されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

JST 戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)

研究領域
「生命機能メカニズム解明のための光操作技術」
(研究総括:七田 芳則 立命館大学 総合科学技術研究機構 客員教授/京都大学 名誉教授)

研究課題名
完全ワイヤレス・インプランタブル光操作デバイスの実現

研究者
徳田 崇(奈良先端科学技術大学院大学 准教授)

研究実施場所
奈良先端科学技術大学院大学・モントリオール理工科大学

研究期間
平成28年10月~平成32年3月

JSTは本領域で、光によって生体を制御する革新的な技術の開発を目的とします。

上記研究課題では、生体内マイクロエレクトロニクスデバイス技術によって、オプトジェネティクスに応用できる光操作デバイスの実現を目指します。

<研究の背景と経緯>

今世紀に入って始まったオプトジェネティクスは急激な進歩を遂げ、脳神経科学をはじめとするバイオ分野の重要なツールとなっています。オプトジェネティクスでは、脳などの神経細胞に遺伝子操作を施し、光感受性タンパク注2)を発現させて光感受性を付与します。ChR2注3)などの代表的な光感受性タンパクは青色から緑色の光に反応します(波長0.45~0.6µm程度)が、この波長域の光は生体透過性が低いため、狙った場所を光刺激するために生体埋め込み型の光刺激技術が必要となります。当初は光ファイバーを利用した有線型光刺激が使われていましたが、現在は、小型・軽量・ワイヤレスの生体埋め込み光刺激技術の開発に多くの研究グループがしのぎを削っています。これまで多くの研究グループから、カード型乗車券などにも用いられている電磁波によるエネルギー伝送を用いた生体埋め込み型光刺激デバイスが報告されています。しかし電磁波による電力伝送は、デバイスサイズが1mm付近に至ると極端に効率が低下します。これは、電磁波を受信するアンテナのサイズがエネルギー伝送効率に直結するためです(図1a)。

<研究の内容>

徳田准教授らは、1mmクラスの超小型化のためには、電磁波方式でなく、太陽電池を用いた光電力伝送を利用するほうが合理的であると考えました。太陽電池は、面積を小さくしても得られる電圧は変わらず、電流のみが小さくなるという基本特性を持つためです(図1b)。青色光や緑色光は生体に強く吸収されるのに対し、より波長の長い赤色光や近赤外光(波長0.8~1.1µm程度)は、数mmから数cm程度の距離であれば生体内に侵入するため、埋め込み光刺激デバイスのためのエネルギー伝送に利用できます。本研究では、ごく小さな太陽電池でも、エネルギーが十分貯まるまで待ってから使えば、光刺激のための青色発光ダイオードを駆動できると考えました。

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