神経細胞に対する細胞外電流刺激の最適化に関する数値シミュレーション解析

摘要

現在，各種神経疾患に対して，機能的電気刺激を用いた治療/補綴の臨床応用や研究が広く行われている．この時，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，現在，臨床で用いられている電気刺激は電流振幅が数いAと通常生体内で流れている電流の103～106倍と極度に大きく，波形形状も単純な矩形波であり，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い．本研究では，神経細胞を賦活させ得る最適な刺激を求める為に，神経細胞モデルを用いた計算機シミュレーションにより単一神経細胞レベルでの定量解析を行った．その結果、少ない電流量においても刺激波形形状を変化させることによって，効率よく細胞から活動電位を惹起できることが示された．さらに，神経細胞に対する刺激電極の三次元的配置を考慮する事も重要であると明らかになった．%For neural diseases, clinical trials of the treatments/prostheses with the functional electric stimulation have been widely performed in recent years. In those cases, it is critical to use the minimum amounts of current/charge to stimulate the target neurons, in order to guarantee their safety. However, the wave form, which is used as electric stimulation to clinical, is simple rectangular wave pulse and is not optimal about its amounts of current, wave form and position of stimulus. Therefore, in this study, we analyzed quantitatively on the optimization of electrical stimulus at the single neuron level by computer simulation used biophysics models of neurons. As a result, it was shown that the amounts of current/charge required for evoking spike firings of the model cells can be reduced by optimally adjusting the parameters of stimulation pulse waveforms, and that it was very more important to select the three dimensional position of the stimulation electrode optimally.