脳深部神経回路の高時空間分解能観察デバイスの開発

脑深部神经回路高时空分辨率观测装置研制

• 批准号: 20J23439
• 负责人: 杉江 謙治
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: Nara Institute of Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23439/
• 关键词: 生体埋植デバイス; CMOSイメージセンサ; 脳機能イメージング; 細胞外電位計測; マルチモーダルセンシング; 角度選択画素; マウス脳機能計測; 神経アンプ; 脳機能計測; 蛍光観察; 細胞外記録

マウス脳神経活動を光学的および電気生理学的に同時記録するための生体埋植型マルチモーダルセンサの開発およびその基本機能の実証を行った．マルチモーダルセンシングは信号の同時記録により情報を補完し合い，単一の計測手法では観察困難な現象を記録する．開発したセンサは生体埋植CMOSイメージセンサと神経アンプを同一チップ上に集積することで，単一のチップでマルチモーダルセンシング機能を実現している．開発したセンサの基本機能の実証のために麻酔下マウスの海馬領域にセンサを埋植し，イメージングと細胞外電位計測による同時記録を行った．その結果クロストークノイズの影響をほとんど受けることなく，神経活動と思われる光強度変化と細胞外電位変化の同時記録を達成した．得られた研究成果は国際学会IEEE Photonics Conferenceで発表を行った．また，Sensors and Materialsへ論文を投稿し採択された．なお動物実験は奈良先端大の動物実験倫理規定に準拠して行われた．また，画素を角度選択画素で構成し，画素アレイ上に記録電極を２つ配置したマルチモーダルセンサを作製した．角度選択画素は生体埋植CMOSイメージセンサの距離に伴う空間分解能の劣化を低減するために開発された画素である．１つの開口部を４つのフォトダイオードが共有し，斜め入射光の選択的な検出をレイアウトで実現している．被写界深度が深くなるように開口が絞られており，画像処理によって仮想的な焦点面上に結像させることで，従来の画素に比べて高い空間分解能を達成している．画素アレイ上に配置された記録電極は画素の金属配線層の一部を信号線として利用し，同一領域でのイメージングと細胞外電位計測を可能にする．このように空間分解能を改善したマルチモーダルセンサは，より小さな細胞集団からの神経活動記録することで詳細な脳機能解析に貢献する．

Optical and electrophysiological simultaneous recording of the physiological activity of the implant and demonstration of its basic functions. The signal is recorded simultaneously, the information is supplemented, and the measurement method is used to detect the difficult phenomenon. The development of bio-implanted CMOS technology enables the integration of CMOS technology into one chip. The basic functions of the open circuit are realized through the implantation of the extracellular potentiometers and the simultaneous recording of the hippocampus. As a result, the effects of changes in light intensity and extracellular potential on mental activity were recorded simultaneously. The obtained research results were presented at the IEEE Photonics Conference of the International Society. Sensors and Materials Animal ethics regulations are applicable to animals at the top of Nara. The pixel angle is selected from the pixel composition, and the pixel is arranged on the recording electrode. Angle selection pixels in bio-embedded CMOS devices have a distance from each other and a degradation in spatial resolution energy is reduced. The pixel is opened. The pixel is opened. The depth of the written boundary is too deep to be opened. The image processing is performed on the focal plane of the desired image. The spatial resolution of the pixel is higher than that of the pixel. The pixel is arranged above the recording electrode and a part of the metal wiring layer of the pixel is used as a signal line, and the extracellular potential measurement is possible in the same field. The spatial decomposition of the data can be improved, and the detailed function analysis can be contributed to the small cell collection and the recording of the mental activity.

项目成果

イメージングおよび細胞外電位同時計測機能を有する生体埋植マルチモーダルセンサ

具有成像和细胞外电位同时测量功能的活体植入式多模态传感器

• 发表时间: 2022
• 作者: 杉江 謙治;笹川 清隆 ,岡田 竜馬;竹原 浩成;春田 牧人;田代 洋行;太田 淳
• 通讯作者: 太田 淳

神経アンプ搭載生体埋植CMOSイメージセンサ

带神经放大器的植入式 CMOS 图像传感器

• 发表时间: 2020
• 作者: Sakamoto Kana;Nishimura Takahiro;杉江謙治
• 通讯作者: 杉江謙治

An implantable multimodal sensor for optical and electrophysiological recording of mouse brain activity

用于小鼠大脑活动光学和电生理记录的植入式多模式传感器

• 发表时间: 2022
• 作者: Kenji Sugie;Ryoma Okada;Yasumi Ohta;Hironari Takehara;Makito Haruta;Hiroyuki Tashiro;Kiyotaka Sasagawa;Jun Ohta
• 通讯作者: Jun Ohta

電気生理学的計測機能を搭載した生体埋植イメージセンサの試作

具有电生理测量功能的活体植入式图像传感器原型

• 发表时间: 2021
• 作者: 峯岸雄基;西元淳司;宇都弥紀;国分貴徳;村田健児;金村尚彦;杉江謙治，笹川清隆，竹原浩成，春田牧人，田代洋行，太田淳
• 通讯作者: 杉江謙治，笹川清隆，竹原浩成，春田牧人，田代洋行，太田淳

Implantable CMOS image sensor with a neural amplifier for simultaneous recording of optical and electrophysiological signals

• DOI: 10.1109/biocas49922.2021.9644940
• 发表时间: 2021-10
• 期刊: 2021 IEEE Biomedical Circuits and Systems Conference (BioCAS)
• 作者: Kenji Sugie;K. Sasagawa;Yasumi Ohta;H. Takehara;M. Haruta;H. Tashiro;J. Ohta