人工網膜移植における細胞外電流刺激波形の最適化:電気生理学実験と計算論的解析

视网膜假体移植中细胞外电流刺激波形的优化：电生理实验和计算分析

• 批准号: 17700398
• 负责人: 林田 祐樹
• 金额: $ 2.37万
• 依托单位: Kumamoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17700398/
• 关键词: 人工網膜移植; 哺乳類; 網膜神経節細胞; 細胞単離法; 細胞外電流刺激; パッチクランプ法; 計算機シミュレーション; 白色雑音解析

近年,網膜光受容細胞の変性により失明した患者に対し,生残する他の網膜神経細胞を人工的な電気刺激により賦活することで視覚機能の一部を復活させようとする,いわゆる人工網膜移植が注目され,欧米各国及び日本でも臨床試験が実施されている。しかし,先行研究で用いられてきた細胞外電流刺激は,単純な矩形波や正弦波のパルス状波形であり,しかもその1パルス分の電流量と電荷密度は,電極用金属素材の電気化学的な使用可能限界や,神経組織に対する安全限界を上回っている例がほとんどである。そこで本研究では,刺激電流量の低減を目指し,網膜神経節細胞の活動電位発火を惹起するうえで最も効率の良い細胞外電流刺激のテンプレート波形の設計を試みた。本年度は,1:昨年度得られた生理学実験データを精査し,その結果を国際会議および国内会議で発表した。2:昨年度と同様の電気生理学実験を続け,(1)単純な矩形波を用いた場合でも,その正極性と負極性のパルスの組み合わせタイミングを適切に変えることで,活動電位惹起の閾電流量を50%以下まで低減できること,(2)白色雑音解析法により求めた活動電位惹起の最適刺激波形(1次項)は,指数関数的な時間変化形状であり,またそれが細胞個体には殆ど依存しないこと,などを見出した。3:昨年度構築した神経節細胞のバイオフィジックスモデルを用いた計算機シミュレーションの結果,(1)上記2-(2)で実験的に求めた最適刺激波形が,細胞モデルに対して得られたものと定量的に一致すること,(2)点状の極めて小さい刺激電極を用いると,刺激に対して活動電位発火が最初に惹起される細胞上の部位は,電極と細胞との3次元的位置関係に強く依存し,場合によっては細胞体ではなく軸索上が最初の活動電位発火位置となってしまうこと,などが分かった。

In recent years, retinal photoreceptors have been activated by artificial electrical stimulation of retinal neurons in blind patients, and some parts of retinal function have been revived. Artificial retinal transplantation has attracted attention and clinical trials have been carried out in Europe and Japan. In this study, the extracellular current stimulation of pure rectangular wave and sine wave was studied. The current amount and charge density of 1 minute were studied. The possible use limits of electrochemistry of metal materials for electrodes were studied. The safety limits of tissues were studied. In this study, we aimed to reduce the amount of stimulation current, and to design the waveform of extracellular current stimulation in retinal ganglion cells. This year, 1:00 am, the results of the physiological research were presented at international and domestic conferences. 2. The electrophysiological characteristics of the same type of signal are as follows: (1) When the pure rectangular wave is used, the combination of the electropolarity and the electropolarity is appropriate.(2) When the threshold current of the activity potential is less than 50%, the optimum stimulation waveform of the activity potential is obtained by the white sound analysis method.(1) The exponential relationship is changed in time. 3. The results of computer simulation for constructing the cell cycle of neurons in the past year are as follows: (1) The optimal stimulation waveform is determined according to 2-(2) above, and the quantitative correlation of the cell cycle is obtained;(2) When the electrode is used as a small point stimulation electrode, the activation potential of the stimulation electrode is strongly dependent on the three-dimensional positional relationship between the cell and the cell, and the initial activation potential of the electrode is strongly dependent on the position of the cell on the axis.

项目成果

Vibrodissociation of rat retinal ganglion cells attached with inhibitory synaptic boutons.

附着有抑制性突触纽扣的大鼠视网膜神经节细胞的振动解离。

• 发表时间: 2006
• 期刊: Investigative Ophthalmology ＆ Visual Neuroscience 47
• 作者: Y.Hayashida;T.Motomura;N.Murayama
• 通讯作者: N.Murayama

人工網膜移植におけるスパイク誘発の為の最適刺激波形の検討

视网膜假体植入中尖峰诱导的最佳刺激波形的检查

• 发表时间: 2006
• 期刊: 臨床神経生理学 34・5
• 作者: 本村珠美;林田祐樹;森永悠司;村山伸樹
• 通讯作者: 村山伸樹

細胞外電流刺激に対する網膜神経節細胞の空間的応答特性-バイオフィジックスモデルを用いたシミュレーション解析

视网膜神经节细胞对细胞外电流刺激的空间响应特征——生物物理模型的模拟分析

• 发表时间: 2007
• 期刊: 信学技報 106・506
• 作者: 小佐井貴雄;林田祐樹;村山伸樹
• 通讯作者: 村山伸樹

Neuro-Interface : Expecting Nanofabrication.

神经接口：期待纳米加工。

• 发表时间: 2006
• 期刊: 2006 International Symposium on Nano Science and Technology
• 作者: T.Motomura;Y.Hayashida;Y.Morinaga;N.Murayama
• 通讯作者: N.Murayama

Effects of extracellular electrical stimulation on spike firing of the ganglion cells isolated from mammalian retina.

细胞外电刺激对从哺乳动物视网膜分离的神经节细胞尖峰放电的影响。

• 发表时间: 2006
• 期刊: Clinical Neurophysiology 117・sup.1
• 作者: Y.Hayashida;T.Motomura;Y.Morinaga;N.Murayama
• 通讯作者: N.Murayama