脳深部神経回路の高時空間分解能観察デバイスの開発

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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．