JP2980950B2

JP2980950B2 - バイオ素子

Info

Publication number: JP2980950B2
Application number: JP2161890A
Authority: JP
Inventors: 稔斎藤; 武小谷野; 裕生宮本; 勝晶海部; 雅一加藤
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1990-06-20
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1999-11-22
Anticipated expiration: 2014-11-22
Also published as: JPH0452527A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、生物の学習・記憶機能に関わる脳の可塑
性を模倣したバイオ素子であって、従来のシリコン系或
いはカリウム砒素系等の無機半導体素子にない新規な機
能を持つバイオ素子に関するものである。

（従来の技術）従来のコンピューターは、シリコン半導体素子等によ
って構成されており、フォン・ノイマン（Von Neuman
n）方式によって直列型の論理演算を実行するもの（以
下、ノイマン型コンピューターと称する。）であった。

しかし、ノイマン型コンピューターは、正確な論理演
算には適していたが、多数の情報処理を並列的に行うこ
とが本質的に困難なため、高等生物の脳が得意とするパ
ターン認識は不得意であった。さらに、コンピュータ構
成素子が無機系半導体であるため、該素子に可塑性を持
たせることが難しい。従って、脳で行われるようなニュ
ーロン間の結合を適宜変化させての学習・記憶（これを
脳の可塑性による学習・記憶と称する。）を模倣しよう
としても、それは非常に難しい。

そこで、生物学及び大脳生理学の知見等に基づいて、
脳の情報処理機能を模倣した人工的な素子所謂バイオ素
子を構築することが考えられている。

例えば、この出願人に係る特開昭63−111428号公報に
は、生体類似物質を用いて形成したリポソームであって
入射した光をイオン又は化学物質に変換するリポソーム
を基板上に二次元配列し構成されたバイオ素子が開示さ
れている。これにより、生体の網膜上での視細胞の電位
変化の場と同様な場を得ようとしている。

また、文献（膜（MEMBRANE）,12（１），（1987）,
pp.12〜21）には、合成脂質を含浸させた多孔質膜の一
方の面を高塩濃度の電解液に接触させ、かつ、他方の面
を低塩濃度の電解液に接触させた生体類似機構が開示さ
れている。これによれば、多孔質膜に直流電流と圧力と
を加えることにより数秒周期の電位変化の自励発振が生
じ、神経に見られるような興奮現象の再現が図れるとい
う。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、従来においては、脳の可塑性と同様な
機能を有するバイオ素子はなかった。

この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、
従ってこの発明の目的は、生物の学習・記憶に関する脳
の可塑性を模倣したバイオ素子を提供することを目的と
する。

（課題を解決するための手段）この目的の達成を図るため、この発明のバイオ素子に
よれば、第一及び第二の電解質溶液と、これら第一及び第二の電解質溶液間に設けられ、脂質
或いは脂質及び蛋白質を用い構成された生体膜類似の人
工膜とを具え、前述の第一及び第二の電解質溶液の少なくとも一方中
に、 Ca²⁺イオンにより脂質膜に膜融合する第一のリポソー
ムと、 Ca²⁺イオンを内包する第二のリポソームであって光或
いは化学物質の刺激により前述の内包されたCa²⁺イオン
を放出する第二のリポソームとを含んで成ることを特徴
とする。

なお、この発明の実施に当たり、前述の人工膜を、脂
質を含浸している多孔質膜で構成するのが好適である。
さらに、この発明の実施に当たり、Ca²⁺イオンを放出す
る前述の第二のリポソームを、視覚細胞の円盤膜より再
構成されたリポソームとするのが好適である。

（作用）この発明のバイオ素子の構成による作用を生体に照ら
して考えると以下のようなことになる。

生体においては、外界からの種々の刺激を受容器で入
力し、ニューロンで構成される脳で情報として知覚す
る。即ち、各ニューロンでは、軸索末端に神経インパル
スが到達すると小胞体中に内包されていた化学物質がシ
ナプス前膜より放出され隣接したニューロンの後膜まで
拡散して後膜上のレセプタに結合した新たな神経インパ
ルスが誘起される。脳ではこのような神経インパルスの
数やパターンの変化により情報処理を行っている。ま
た、ニューロン間の情報伝達にはイオンや化学物質が使
用されており、これによりニューロン間の接合部変化即
ちシナプスの機能変化・形態変化が引き起こされ学習・
記憶機能が行われる。

このような生体の機構に対し、この発明のバイオ素子
の第一及び第二の電解質溶液のうちの一方の電解質溶液
及び人工膜で構成される部分は生体の１つのニューロン
に相当すると考えることが出来、該人工膜及び他方の電
解質溶液で構成される部分は前記１つのニューロンに隣
接するニューロンに相当すると考えることが出来、人工
膜は生体のニューロン間の接合部に相当すると考えるこ
とが出来る。そして、第一及び第二の電解質溶液の少な
くとも一方にはCa²⁺イオンにより人工膜に膜融合する第
一のリポソームと、外部刺激によりCa²⁺を放出する第二
のリポソームとを含ませてあるので、当該バイオ素子に
光刺激或いは化学物質の刺激が加えられると第二のリポ
ソームからCa²⁺イオンが放出されこれにより第一のリポ
ソームが人工膜に融合する。このため、人工膜には第一
のリポソームの機能が付加され人工膜の機能変化が起こ
る。人工膜のこのような変化は、生体におけるニューロ
ン間の接合部の変化に相当するので、当該バイオ素子
は、脳の可塑性に類似の性質を持つようになる。

（実施例）以下、図面を参照して、この発明のバイオ素子の実施
例について説明する。

なお、以下の説明中で述べる薬品名、数値的条件、使
用装置等は、この発明の範囲内の好適例にすぎない。従
って、この発明が、これら薬品、数値的条件、使用装置
等のみに限られるものではないことは理解されたい。

バイオ素子の構成説明始めに、実施例のバイオ素子の構成について説明す
る。

先ず、第一及び第二の電解質溶液によって挟まれる人
工膜であって脂質或いは脂質及び蛋白質から成る生体膜
類似の人工膜として、この実施例の場合、脂質を含浸し
ている多孔質膜を用いる。この人工膜は以下に説明する
ように作製する。

なお、脂質としては、下記式で示される合成脂質ジ
オレイルホスフェート（dioleyl phosphate:以下、DOP
Hと略称することもある。）を用いる。このDOPHは、オ
レイルアルコール（関東化学（株）製）とオキシ塩化リ
ン（POCl₃）（関東化学（株）製）とを用い、これらを
周知の合成手段によって反応させ、その後、得られた合
成物質を加水分解し、さらにクロマト法により精製して
得ている。また、多孔質膜としては、孔径8umのセルロ
ースエステル製のもの（例えば、ミリポア社製のミリポ
アフィルタ）を用いる。

DOPHをベンゼンに溶解し、次に、この溶液中に上述の
セルロース・エステル製の多孔質膜を浸漬する。その
後、溶液中からこの多孔質膜を取り出しベンゼンを蒸発
させて、DOPHを吸着させた多孔質膜を得る。なお、この
実施例の場合、DOPHの吸着量は３〜6mg/cm²としてい
る。

このような人工膜は、文献に開示のものに相当し、
既に説明したように、これの一方の面を高塩濃度の電解
液に接触させ、かつ、他方の面を低塩濃度の電解液に接
触させ、さらにこの人工膜に直流電流と圧力とを加える
と数秒周期の電位変化の自励発振が生じる。

また、この人工膜を作製する際にDOPHに加えて２本の
オレイル基を有するリン脂質、例えばジオレオイルホス
ファチジルコリン（dioleoyl phosphatidylcholine;以
下、DOPCと略称する場合もある。）を所定量添加した場
合、その人工膜は、圧力を加えずに電流を流すのみで上
述の自励発振を生ずるようになることが、この出願人に
係る特願平１−052611に述べられている。

しかし、この発明のバイオ素子は、脂質含浸の上記人
工膜を挟む第一及び第二の電解質溶液を以下のような構
成とすることにより独特の効果を得る。第１図は、その
説明に供する図であり、実施例のバイオ素子の構成を概
略的に示した図である。

この第１図に示すように、実施例のバイオ素子におい
ては、DOPH含浸の人工膜31は、一方の面が第一の電解槽
33aに収容された第一の電解質溶液としての100mMのKCl
溶液35aと接し、他方の面が第二の電解槽33bに収容され
た第二の電解質溶液としての5mMのKCl水溶液35bと接し
た状態で、二つの電解質溶液に挟まれている。そして、
5mMのKCl水溶液35b中には、第一のリポソーム51とし
て、DOPCより構成したリポソーム51を分散させてあり、
さらに、第二のリポソーム52としてウシの視細胞の円盤
膜より再構成しかつCa²⁺イオンを内包させたリポソーム
52をガラス基板52aに固定させた状態で設置してある。

また、このバイオ素子の一方のKCl水溶液35a中には標
準電極37a及び43aを、他方のKCl水溶液35b中には標準電
極37b及び43bを浸漬させてある。そして、100mMKCl溶液
35a中に浸漬された標準電極37aを直流電源39の陽極側
に、5mMKCl水溶液35b中の標準電極37bを直流電源39の陰
極側にそれぞれ接続させてあり、また、標準電極43a,43
bは、人工膜31間の電位差を測定して記録するための、
高インピーダンス電位計とＸ−Ｙレコーダーとからなる
測定器41に接続してある。

また、このバイオ素子の第一の電解槽33aには、マノ
メーター45が設けてある。このマノメータ45を介して人
工膜31に第１図中に矢印ａを付して示す外的な圧力を加
えることが出来る。

また、このバイオ素子の第二の電解槽33bの一部には
光透過窓37aが設けてあり、これを介し第二のリポソー
ム52に光源49の光（この場合可視光）を照射出来る構成
となっている。

また、この実施例の場合、バイオ素子は暗箱47内に格
納してあり、光源49からの光以外は照射出来ない構成と
してある。

なお、リポソーム52をガラス基板に固定した状態で電
解液中に設置している理由は次の通りである。リポソー
ム52を電解液中に分散させた場合、電解液の濃度変化等
があるとリポソーム52自体も膜31に膜融合してしまう。
そうなると、リポソーム52が放出するCa²⁺イオンにより
リポソーム51を人工膜に膜融合させ当該バイオ素子に可
塑性を付与するというこの発明の目的が充分に達成出来
なくなる。これを防止するため、リポソームをガラス基
板52a（勿論、リポソーム52を固定出来ればガラス基板
にこだわらない。）に固定する。リポソーム52のガラス
基板52aへの固定はこの実施例の場合、ガラス基板52aに
抗体をLB法で固定し、抗体固定済みガラス基板にリポソ
ームを抗原−抗体反応を利用し固定している。この方法
の詳細についてはこの出願人にかかる特開昭63−111428
号に開示されている。勿論、リポソーム52aの基板への
固定法はこれらに限られない。

バイオ素子の特性測定次に、上述のような構成の実施例のバイオ素子に光源
49の光を照射する。そして、光照射開始後所定時間経過
後毎に直流電源39により0.3μＡの電流をバイオ素子に
印加する。さらに、この状態で、マノメータ45を介し外
的圧力を変化させ、人工膜の発振開始の外的圧力を測定
する。第２図は、横軸に光照射開始後の経過時間（mi
n）をとり、縦軸に発振開始の外的圧力（発振開始圧力;
cmH₂O）をとって、両者の関係をプロットした図であ
る。

第２図から理解出来るように、この発明のバイオ素子
は、これに光照射すると発振に要する外的圧力が除々に
低下し約40分後には外的圧力を加えなくとも発振が生じ
るようになることが分る。

この現象は、第二のリポソーム52に内包されているCa
²⁺イオンが光照射によってリポソーム52から電解液35b
に放出され、このCa²⁺イオンの作用により第一のリポソ
ーム51が人工膜31に融合されDOPCの機能が人工膜31に付
加されたことにより起こると考えられる。このことは、
例えば文献（FEBS LETTERS（フェブスレターズ）Vo
l.76,No.1,（1977）,p.45）に開示されているCa²⁺によ
りリポソームが平面膜に融合されるという事実と、特願
平１−052611に開示されているDOPH及びDOPC含浸膜が外
的圧力なしで電流のみで発振するという事実とからも理
解できる。また、実際、5mMKCl水溶液35b中のCa²⁺イオ
ンが光照射により増加することは、Ca²⁺イオン濃度感受
性蛍光色素Quin2（同仁化学研究所製；商品名）をこの
水溶液中に加えて蛍光強度を測定することにより確認出
来、さらに、第一のリポソーム51が人工膜31に融合した
ことは、人工膜31より有機溶媒で脂質成分を抽出し液体
クロマトグラフィによってDOPCの構成成分の存在を同定
することにより確認できたことからも、上記現象が生じ
る原因は理解出来る。

上述においては、この発明のバイオ素子の実施例につ
き説明したがこの発明は上述の実施例のみに限定される
ものではなく以下に説明するような種々の変更を加える
ことが出来る。

例えば、実施例では人工膜をDOPHを含浸している多孔
質膜で構成していたが、DOPH以外の脂質を含浸せた多孔
質膜、また、脂質を主成分としこれと蛋白質とを含浸さ
せた多孔質膜でも実施例と同様な効果が得られた。

また、この実施例では人工膜を脂質を含浸している多
孔質膜で構成したが、人工膜はこれ以外の構成でも良
い。

また、上述の実施例では、第二のリポソームは、光刺
激によりCa²⁺イオンを放出するリポソームで構成してい
たが、化学物質（例えば味物質や臭い物質）に応答しCa
²⁺イオンを放出するリポソームとすれば、味や臭い等に
反応するバイオ素子の構築が可能になる。

（発明の効果）上述した説明からも明らかなように、この発明のバイ
オ素子によれば、光又は化学物質の刺激により第二のリ
ポソームがCa²⁺イオンを放出し、このCa²⁺イオンにより
第一のリポソームが生体膜類似の人工膜に融合し人工膜
の機能が変化する。従って、この発明のバイオ素子は、
ニューロン間の接合部の変化と同様な変化が得られるバ
イオ素子と考えることが出来るので、脳の可塑性に類似
した機能を示すようになる。

従って、例えばバイオコンピューターを構築する際の
構成素子等として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、実施例のバイオ素子の構成説明に供する図、第２図は、実施例のバイオ素子の特性説明に供する図で
ある。 31……生体膜類似の人工膜 33a……第一の電解槽、33b……第二の電解槽 35a……100mMのKCl水溶液 35b……50mMのKCl水溶液 37a,37b,43a,43b……標準電極 37c……光透過窓、39……直流電源 41……測定器、45……マノメーターａ……外的な圧力、47……暗箱 49……光源、51……第一のリポソーム 52……第二のリポソーム 52a……ガラス基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者海部勝晶東京都港区虎ノ門１丁目７番12号沖電気工業株式会社内 (72)発明者加藤雅一東京都港区虎ノ門１丁目７番12号沖電気工業株式会社内 (56)参考文献特開平１−136034（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−32364（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−111428（ＪＰ，Ａ) 特開平２−231557（ＪＰ，Ａ) ＦＥＢＳＬＥＴＴＥＲＳ，76 〔１〕，（蘭），（1977），Ｍ．Ｃ．Ｂｌｏｋ．Ｋ．Ｉ．Ｈｅｌｌｉｎｇｗｅｒｆ，Ｋ．ＶａｎＤａｍ，ｐ．45〜50 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01J 1/00 G01N 27/416

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第一及び第二の電解質溶液と、これら第一及び第二の電解質溶液間に設けられ、脂質或
いは脂質及び蛋白質を用い構成された生体膜類似の人工
膜とを具え、前記第一及び第二の電解質溶液の少なくとも一方中に、 Ca²⁺イオンにより脂質膜に膜融合する第一のリポソーム
と、 Ca²⁺イオンを内包する第二のリポソームであって光或い
は化学物質の刺激により前記内包されたCa²⁺イオンを放
出する第二のリポソームとを含んで成ることを特徴とするバイオ素子。
【請求項２】前記人工膜を、脂質を含浸している多孔質
膜としたことを特徴とする請求項１に記載のバイオ素
子。
【請求項３】Ca²⁺イオンを放出する前記第二のリポソー
ムを、視覚細胞の円盤膜より再構成されたリポソームと
したことを特徴とする請求項１に記載のバイオ素子。