細胞外通電刺激に対する神経細胞興奮応答のメカニズム: 利激パラメータに関する数値解析

摘要

現在，難治性の神経疾患に対して，外来性の電気刺激を用いた神経機能の代行／補綴の基礎研究や臨床試験が広く行われている．体内埋め込み式の電極を用いる侵襲的神経補綴においては，ターゲットとなる神経細胞群に対して，必要最低限の電流量を刺激として与えることが，安全性を保障する上で極めて重要である．しかし従来，臨床で用いられた矩形パルス状の電気刺激は，電流振幅が数十μA以上，パルス幅が数百μsec以上となっており，通常の生理的条件下で神経インパルス発火に要する電流量のおよそ100～1000倍と非常に大きく，電流量，波形形状，細胞と電極との位置関係などに関して熟考された刺激であるとは言い難く，将来，単一細胞レベルの刺激分解能を達成するには，より定量的な電気生理学的解析が必要である．そこで本研究では，そうした局所的電気刺激の最適化に関して，細胞外電流通電により神経細胞の興奮応答が惹起されるメカニズム，およびその刺激パラメータを変化させたときの応答惹起の変化を，三次元形態をもつ神経細胞のバイオフィジックスモデルを用いた計算機数値シミュレーションにより解析した．%For intractable neural diseases, clinical trials and basic researches on the compensations/prostheses of the neuronal functions by using exogenously delivered electric stimulation have been widely performed in recent years. In the case of invasive neural prostheses, it is critical to use the necessary, but minimum amount of the electrical current/charge to stimulate the target neurons, in order to guarantee their safety. However, in previous clinical studies, the rectangular pulse of stimulation had a few tens of uA in amplitude and a few hundreds of μsec in duration; these resulted in roughly 100-1000 times larger than the electrical charge required for the firing of a neuronal impulse under normal physiological condition. Thus, those stimulation seem not to be optimal about its electrical charge, waveform and the position of stimulation electrode. For the next generation of the neuronal prosthesis achieving a finer resolution at the single-cell level, it is required electrophysiological analyses in more quantitative manner. In this study, we performed computer simulations using biophysics neuron models with three-dimensional morphologies in order to quantitatively analyze the mechanism of the neuronal excitatory responses to extracellular current stimuli and the effects of stimulation parameters on the evoked responses.