バイオ応用に向けた窒化物半導体マイクロLEDの開発
マイクロLEDを用いた次世代の応用 光遺伝学技術による脳科学
電極
光ファイバ
電位変化を計測
光応答するたんぱく質
光照射
DNAを組み込んだウイルスを脳に注射 ＜成果の一例＞
神経活動の計測
アルツハイマー病マウス
Bluelight
ボックス内で電気刺激
(恐怖体験)
別箱では怖がらないA. 記憶できない？B. 記憶が思い出せ
ない？
光によって記憶を呼び起こす
⇒ 記憶はできるが，思い出せないことが明
らかに
メカニズムが明らかになってきた
http://sciencejournal.livedoor.biz/archives/5198557.html
A.R.Lingley et al., J. Micromech. Microeng., 21(2011) 125014
コンタクト型ディスプレイ
M. Rein et al., Nature 560, 214 (2018)
Onedio
Newshttps://onedio.co/content/meet-li-fi-1-0-0-times-faster-internet-than-wi-fi-12575
ソニー 「CLEDIS」
高精細・大画面ディスプレイ
日経エレクトロニクス, 2017,12月号
スマート繊維
超高速無線通信 (Li-Fi)
東京モーターショー2017 三菱電機
自動車への搭載 (路面標示)
バイオ・医療応用
K. L. Montgomery, et al., Nature Methods, 12, 969 (2015)
S. Manita, et al., Neuron 86, 1304 (2015).
大脳皮質の異なる層への光刺激がどのように大脳の機能へと影響を与えるかを実証⇒ 多点刺激(深さ方向)が可能であったなら
同一のマウスでの実験が可能 上下への異なる光刺激によりS1領域での
神経活動の変化を測定可能⇒ 知覚の認知への影響の理解も促進
光遺伝学におけるマイクロLEDへの期待脳機能の完全な理解に向けて，長期的でより複雑な脳機能の操作が求められる
1. 無線コントロール 2. 多点刺激
深さ方向に対する多点刺激 面内方向に対する多点刺激
2.5 mm
刺入実験
名市大・大澤先生、稲波さんのご協力
Siプローブの侵襲度実験の開始
Si薄膜化技術の開発を検討中
目的１：深さ方向に多点刺激可能なLEDプローブ皮質や脊髄の層間における神経ネットワークの関係を明らかにする
Ⅰ. Siプローブの針構造形成技術の確立
マイクロLEDプローブの作製法
① ウエハの用意 ② メサエッチング ③ p, n電極の形成
④ 絶縁層の形成 ⑤ 金属配線 (Ti/Au) ⑥ 針型構造の形成
II. 多シャンクマイクロLEDプローブの作製技術
光遺伝学で求められる10 mW/mm2 (20 μW)を達成
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.00
10
20
30
40
50
60
70
80
Current (mA)
Lig
ht outp
ut (m
W)
0 1 2 3 4 5 60.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Voltage (V)
Curr
ent (m
A)
各シャンクにμLEDを配置
III. LED/神経電極の集積プローブの作製
針幅3.7 mm
光刺激に加えて，電気シグナルのレコーディング技術が必要
100 µm
50 µm
20 µm
80 µm
145 µm
μLEDと神経電極の集積化を進めていく
180μm
300μm
250μm
250μm
210μm
μLED神経電極
目的２：嗅神経活動のメカニズム解明脳表面での神経活動(嗅神経) [2]
・マウスの場合・・・嗅覚受容細胞が約1000個、入力を受ける糸球体が約2000個存在
⇒1種類の匂いに対して異なる数種類の受容細胞が反応⇒糸球体は特定の受容細胞からのみ入力を受ける
Mark F. Bear et al., “神経科学-脳の探求-”, pp.211-213 (2012).
K. Mori et al., Science 286,711 (1999).
必要とされる光刺激デバイス
匂い認識のフローチャート
嗅神経に対する光刺激の報告例
A. K. Dhawale et al, Nat. Neuro. 13,1404 (2010).
DLPプロジェクタとダイクロイックミラーを用いた光学系
① 長期自由行動下が困難② 光刺激位置の再現性難
貼り付け型マイクロLEDアレイの提案
長期埋植可能で多点刺激可能なマイクロLEDアレイ
IV. マイクロLEDアレイの実装
マイクロLEDアレイ
約1.4mm
試験基板上に実装、FPC基板と接続(32チャネル)
LEAD配線
p-PAD(30個)サイズ:80×80μm2
LED:50μm
×50µm
n-PAD(2個)サイズ:80×80μm2
嗅球上での空間的神経活動パターン(嗅覚地図)
V. LEDの無線化技術への取り組み
Arduino
SmartPhone
mLED device
Bluetoothmodule
Battery
部品
10
m
m
12.6 mm
19
.5 m
m
11.5 mm 15 mm
15
mm
0.16 g 1.2 g 1.1 g
重量
µLEDデバイス
Bluetoothモジュール
Arduino(マイコン)
無線通信ツール
無線通信ツール構成図
[無線通信制御回路の設計]
無線通信ツールの重量マウスの体重(25 g)の10%以下が求められる
スマートフォンから値を送信
ArduinoからµLEDへ出力
受信機よりArduinoに
入力
制御方法 [動作の様子]
電気・電子情報工学系 関口寛人
まとめ目的１．深さ方向に多点刺激可能なLEDプローブの作製２．嗅神経活動のメカニズム解明に向けたLEDアレイの作製
実験結果１．Siプローブの針構造形成技術の確立２．多シャンクマイクロLEDプローブの作製３．LED/神経電極の集積プローブの作製４．マイクロLEDアレイの実装５．LEDの無線化技術の取り組み
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