JPH02272783A - バイオ素子 - Google Patents
バイオ素子Info
- Publication number
- JPH02272783A JPH02272783A JP1093004A JP9300489A JPH02272783A JP H02272783 A JPH02272783 A JP H02272783A JP 1093004 A JP1093004 A JP 1093004A JP 9300489 A JP9300489 A JP 9300489A JP H02272783 A JPH02272783 A JP H02272783A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thin film
- oscillation
- film
- ion
- ions
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- Granted
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- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
本発明は、生物の神経細胞における情報発現及びその伝
達機能に近似する機能を有するバイオ素子に関する。
達機能に近似する機能を有するバイオ素子に関する。
（従来の技術）
従来のコンピュータは、代表的なシリコン半導体素子を
用いて構成され所謂フォノ・ノイマン方式の直列型の論
理演算を実行するものである。そしてこの方式は周知の
如く正確な論理演算には適しているが、情報の並列処理
が困難であり、高等生物の脳が得意とするパターン認識
が不得意であるという欠点があった。
用いて構成され所謂フォノ・ノイマン方式の直列型の論
理演算を実行するものである。そしてこの方式は周知の
如く正確な論理演算には適しているが、情報の並列処理
が困難であり、高等生物の脳が得意とするパターン認識
が不得意であるという欠点があった。
又従来のコンピュータは、上述のシリコン半導体など無
機系素子から構成されて居り、脳におけろ機能であるニ
ューロン間の結合を適宜変化させ学習・記憶を行う如き
素子に可塑性をもたせ学習・記憶を行うことには適して
いない。上述の脳に見られろパターン認識や学習・記憶
機能が実際にどのような原理に基づくものであるか、ま
たどのような素子を用いて実行されているのかに関して
は未だ不明な点が多く多数の研究者がこれらの解明を行
っている。
機系素子から構成されて居り、脳におけろ機能であるニ
ューロン間の結合を適宜変化させ学習・記憶を行う如き
素子に可塑性をもたせ学習・記憶を行うことには適して
いない。上述の脳に見られろパターン認識や学習・記憶
機能が実際にどのような原理に基づくものであるか、ま
たどのような素子を用いて実行されているのかに関して
は未だ不明な点が多く多数の研究者がこれらの解明を行
っている。
例えば、下記文献参照。
（１１Ｊ、 Ｖ、 Ｂｒｕｎｔ 、−バイオチク７ｅｒ
ジーＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 。
ジーＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 。
Ｖｏｔ’ ３． ｍａｒｃｈ、 １９８５．２０９〜２
１５頁（２１Ｔｏｋｏ ｅｔ ａｔ 、バイオフィジカ
ル ケミストリーＢｉｏｐｈｙｓ、 Ｃｈｅｔ ２３
（１９８６） 、 ２０１〜２１０頁（３）相沢、学術
月報Ｖｏｊ３８．Ｎａｌ ２，１９８５゜８３７〜８４
０頁 そこでこのような生物の情報処理機能の詳細を解明しそ
れを模倣することができれば従来の上記フォノ・ノイマ
ン方式のコンピュータの不得意な情報処理を可能とする
全く新方式のコンピュータすなわちバイオコンピュータ
を実現することが可能であると考えられている。
１５頁（２１Ｔｏｋｏ ｅｔ ａｔ 、バイオフィジカ
ル ケミストリーＢｉｏｐｈｙｓ、 Ｃｈｅｔ ２３
（１９８６） 、 ２０１〜２１０頁（３）相沢、学術
月報Ｖｏｊ３８．Ｎａｌ ２，１９８５゜８３７〜８４
０頁 そこでこのような生物の情報処理機能の詳細を解明しそ
れを模倣することができれば従来の上記フォノ・ノイマ
ン方式のコンピュータの不得意な情報処理を可能とする
全く新方式のコンピュータすなわちバイオコンピュータ
を実現することが可能であると考えられている。
生物は一般に、外界からの種々の刺激を受容器で入力し
そしてニューロンから構成される脳で情報として知覚す
る。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
ｔ＆模膜上レセプタに結合し新たな神経インパルスが誘
起される。
そしてニューロンから構成される脳で情報として知覚す
る。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
ｔ＆模膜上レセプタに結合し新たな神経インパルスが誘
起される。
脳では乙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、二ニーロン間の情
報伝達にはイオンや化学物質が関与しておりこれにより
ニューロン間の接合部すなわちシナプスの機能変化、形
態変化が引き起こされ学習・記憶が行われるのである。
により情報処理を行っている。また、二ニーロン間の情
報伝達にはイオンや化学物質が関与しておりこれにより
ニューロン間の接合部すなわちシナプスの機能変化、形
態変化が引き起こされ学習・記憶が行われるのである。
発明者等は先に、かかるニューロンにおける情報伝達機
能を模倣した素子を提案した（例えば特願昭６３−０９
６８５１号及び特願昭６３−１９２１１６号）。
能を模倣した素子を提案した（例えば特願昭６３−０９
６８５１号及び特願昭６３−１９２１１６号）。
これらの素子は、−例として味覚細胞に対して刺激を与
える刺激物質を含むイオン性水溶液中に設置され、該刺
激物質による刺激でイオン透過性を変え電位発振又は発
振パターン変化などの電気信号を発生する生体類似薄膜
を情報伝達のために使用したものである。
える刺激物質を含むイオン性水溶液中に設置され、該刺
激物質による刺激でイオン透過性を変え電位発振又は発
振パターン変化などの電気信号を発生する生体類似薄膜
を情報伝達のために使用したものである。
（発明が解決しようとする課題）
しかし上記の電気信号を発生する薄膜は、該薄膜の機能
が保持されているにもかかわらず系の平衡化、即ちその
両側のイオンａ度差の低下により電気的インパルスの発
生が停止してしまうことがあり、素子機能の持続性に限
界が免がれなかった。
が保持されているにもかかわらず系の平衡化、即ちその
両側のイオンａ度差の低下により電気的インパルスの発
生が停止してしまうことがあり、素子機能の持続性に限
界が免がれなかった。
特に興奮性人工膜に数秒周期の電気的インパルスを発生
させるために、直流電流を印加すると、上記持続時間は
さらに低下し、また素子小型化のためにセル内のイオン
の絶対量が少なくなりその持続時間はさらに短くなる等
の問題が免がれない。
させるために、直流電流を印加すると、上記持続時間は
さらに低下し、また素子小型化のためにセル内のイオン
の絶対量が少なくなりその持続時間はさらに短くなる等
の問題が免がれない。
本発明は上述の如き興奮性人工膜を用いたバイオ素子に
おいて、素子機能すなわち興奮性人工膜の電気的な発振
の持続時間に限界があるという問題点を除去し、興奮性
人工膜の電気的な発振が長時間持続するようにしたもの
である。
おいて、素子機能すなわち興奮性人工膜の電気的な発振
の持続時間に限界があるという問題点を除去し、興奮性
人工膜の電気的な発振が長時間持続するようにしたもの
である。
（課題を解決するための手段）
本発明者等は、イオン性水溶液中に両側にイオン濃度差
を設けて隔膜として設置されろ薄膜について検討を重ね
た結果この発明に到達したのである。即ち本発明は、薄
膜が、生体刺激物質による刺激で上記イオンの透過性を
変え電位発振又は発振パターン変化などの電気信号を発
生する生体類似薄膜と、該生体類似薄膜に並列して設置
され光による可逆的異性化で上記イオンを一方向に透過
させろイオン透過機能性膜と、から構成されてなるバイ
オ素子である。
を設けて隔膜として設置されろ薄膜について検討を重ね
た結果この発明に到達したのである。即ち本発明は、薄
膜が、生体刺激物質による刺激で上記イオンの透過性を
変え電位発振又は発振パターン変化などの電気信号を発
生する生体類似薄膜と、該生体類似薄膜に並列して設置
され光による可逆的異性化で上記イオンを一方向に透過
させろイオン透過機能性膜と、から構成されてなるバイ
オ素子である。
（作 用）
本発明のバイオ素子においては、素子機能すなわち上記
生体類似興奮性人工膜の電気的な発振がイオンの移動に
より発生し、この際両側の濃度差は減少する。そして他
方では、該バイオ素子構成の他の光によるイオン透過性
機能膜の導入により、該膜の後述する液晶相の透過物質
に対する移動媒体としての作用で逆方向へのイオン移動
が発生し、結果的に両セル間のイオン移動量が低減され
濃度差を保つことができるので、上記興奮性人工膜のＴ
ｉ電気的発振を長時間持続し得ろ。
生体類似興奮性人工膜の電気的な発振がイオンの移動に
より発生し、この際両側の濃度差は減少する。そして他
方では、該バイオ素子構成の他の光によるイオン透過性
機能膜の導入により、該膜の後述する液晶相の透過物質
に対する移動媒体としての作用で逆方向へのイオン移動
が発生し、結果的に両セル間のイオン移動量が低減され
濃度差を保つことができるので、上記興奮性人工膜のＴ
ｉ電気的発振を長時間持続し得ろ。
（実施例）
以下実施例によりこの発明を具体的に説明する。
第１図は本発明の一実施態様の構成説明図であり、図に
おいて１はセル、２は前記セル１を仕切る隔膜である。
おいて１はセル、２は前記セル１を仕切る隔膜である。
隔膜２は、イオン透過機能性膜２ａ及び興奮性人工膜即
ち生体類似薄膜２ｂとで構成され、図の如く第１セル１
ａ及び第２セル１ｂに隔てろ。面図において３はマノメ
ーター、４は直流電源、５はＸ−Ｙレコータ−６は銀−
塩化銀電極である。
ち生体類似薄膜２ｂとで構成され、図の如く第１セル１
ａ及び第２セル１ｂに隔てろ。面図において３はマノメ
ーター、４は直流電源、５はＸ−Ｙレコータ−６は銀−
塩化銀電極である。
上記［Ｇ性人工膜２ｂとしては、−例として孔径８μｍ
のセルローズエステル製多孔質膜（例えばミリポア社製
のミリポアフィルタ−）に生体膜類似物質である次式の
ジオレイルホスフェート（ＤＯＰＨｌ ”Ｉｌｌ” １
２（１１，１２〜２１ （１９８７））、を４ Ｉ１ｇ
／ｄ含浸付着させたものを用いた。
のセルローズエステル製多孔質膜（例えばミリポア社製
のミリポアフィルタ−）に生体膜類似物質である次式の
ジオレイルホスフェート（ＤＯＰＨｌ ”Ｉｌｌ” １
２（１１，１２〜２１ （１９８７））、を４ Ｉ１ｇ
／ｄ含浸付着させたものを用いた。
次にイオン透過機能性膜としては、−例として光応答性
クラウンエーテルを含む高分子／液晶複合薄膜（例えば
“日本化学会誌”Ｎ１３，４２３〜４２９頁、１９８７
）を用いた。
クラウンエーテルを含む高分子／液晶複合薄膜（例えば
“日本化学会誌”Ｎ１３，４２３〜４２９頁、１９８７
）を用いた。
この薄膜は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、Ｎ−（４−エ
トキシベンジリデン）−４′−ブチルアニリン（ＥＢＢ
Ａ）、アゾ置換クラウンエーテル（次式ＡＺＯ−ＣＲ（
１１）（重量比４０： ６０： ５）をテトラヒドロフ
ラン（ＴＨＦ）とトルエンの混合溶媒（重量比１： ２
）に溶解し水面展開法により作製した。この膜の厚さは
水面展開法を数１０回繰り返すことにより１〜２μｍと
した。得られた薄膜のイオン（Ｋ“）透過機機構は以下
のように説明されろ。即ち第２図の如く、水相及び塩ｉ
ｍ溶液を隔てた例において、複合薄膜の塩溶液側では、
Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１１が紫外光によりｔｒａｎｓ−形
−＋ｃｉ３−形へ異性化し、１： １のＫ”／ＡＺＯ−
ＣＲ（１１錯体を形成する。複合薄膜内で紫外光強度は
膜表面より漸次減少するので、複合薄膜の塩溶液側から
水相側へ向けてｅｉｓ−形Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１）の濃
度勾配が形成される。それゆえ、この錯体は複合薄膜内
のｅｉｓ−形Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（ｌｌの濃度勾配にした
がって水相側へと拡散する。膜の水相側へ到達したｅｉ
ｓ−形Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１１は、可視光によりｔｒａ
ｎｓ−形Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１）へと異性化してに１を
水相に放出する。さらに、このｔｒａｎｓ−形Ａ Ｚ
Ｏ−ＣＲ（１１は、膜内の濃度勾配にしたがってふたた
び塩溶液側へ拡散する。上記の結果は、光によって膜の
塩溶液側と水相側の膜表面でのＡ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１１
とに＋イオンとの親和性を変化させることにより、光エ
ネルギー駆動によるキャリヤー機構でに＋の促進輸送を
行なわせることが可能である。一般のクラウンエーテル
では、ＡＺＯ−ＣＲ（１１のように特定のイオンに対す
る親和性を膜両表面で変化させることができないので、
このＡ Ｚ Ｏ−ＣＲｆｉｌの光異性化を利用する系で
は、より大きなに′″の輸送能力と、光のｏｎ、 ｏｆ
ｆで透過速度を変化させるという刺激応答輸送の実現が
可能となる。
トキシベンジリデン）−４′−ブチルアニリン（ＥＢＢ
Ａ）、アゾ置換クラウンエーテル（次式ＡＺＯ−ＣＲ（
１１）（重量比４０： ６０： ５）をテトラヒドロフ
ラン（ＴＨＦ）とトルエンの混合溶媒（重量比１： ２
）に溶解し水面展開法により作製した。この膜の厚さは
水面展開法を数１０回繰り返すことにより１〜２μｍと
した。得られた薄膜のイオン（Ｋ“）透過機機構は以下
のように説明されろ。即ち第２図の如く、水相及び塩ｉ
ｍ溶液を隔てた例において、複合薄膜の塩溶液側では、
Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１１が紫外光によりｔｒａｎｓ−形
−＋ｃｉ３−形へ異性化し、１： １のＫ”／ＡＺＯ−
ＣＲ（１１錯体を形成する。複合薄膜内で紫外光強度は
膜表面より漸次減少するので、複合薄膜の塩溶液側から
水相側へ向けてｅｉｓ−形Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１）の濃
度勾配が形成される。それゆえ、この錯体は複合薄膜内
のｅｉｓ−形Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（ｌｌの濃度勾配にした
がって水相側へと拡散する。膜の水相側へ到達したｅｉ
ｓ−形Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１１は、可視光によりｔｒａ
ｎｓ−形Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１）へと異性化してに１を
水相に放出する。さらに、このｔｒａｎｓ−形Ａ Ｚ
Ｏ−ＣＲ（１１は、膜内の濃度勾配にしたがってふたた
び塩溶液側へ拡散する。上記の結果は、光によって膜の
塩溶液側と水相側の膜表面でのＡ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１１
とに＋イオンとの親和性を変化させることにより、光エ
ネルギー駆動によるキャリヤー機構でに＋の促進輸送を
行なわせることが可能である。一般のクラウンエーテル
では、ＡＺＯ−ＣＲ（１１のように特定のイオンに対す
る親和性を膜両表面で変化させることができないので、
このＡ Ｚ Ｏ−ＣＲｆｉｌの光異性化を利用する系で
は、より大きなに′″の輸送能力と、光のｏｎ、 ｏｆ
ｆで透過速度を変化させるという刺激応答輸送の実現が
可能となる。
上記ＡＺＯ−ＣＲ（１１（７）代りに次式（７）ＡＺＯ
−ＣＲ（２１を用いても同様の結果が得られる。
−ＣＲ（２１を用いても同様の結果が得られる。
Ａ Ｚ Ｏ−ＣＲ（１１
ＡＺＯ
ＣＲ（２１
ワＯり
比較例１
第１図において、薄膜として従来の構成、すなわちイオ
ン透過性膜を導入せずに生体薄膜のみとした構成にて発
振実験を行った。この場合数秒周期の電気的インパルス
を発生させるため、セル１ａの１００ ｍＭ ＫＣｊ溶
液側から、セル２の５ ｍＭＭＣＩ溶液側に１μＡの直
流電流と２０ ｃｍＨＯの圧力を印加した。また、セル
の大きさは容量１ ｃｃとした。発生した電気的インパ
ルスを第５図に示した。このような発振は約２０日間持
続した後停止した。この時点で両セル内のＫＣＩ ｉ３
度を溶液の電気抵抗を測定することにより測定したとこ
ろそれぞれ７５ｍＭ、３０ｍＭに変化していた。なお、
電気抵抗によろＫＣｌ９．度の検量線はあらかじめ作成
しておいた。
ン透過性膜を導入せずに生体薄膜のみとした構成にて発
振実験を行った。この場合数秒周期の電気的インパルス
を発生させるため、セル１ａの１００ ｍＭ ＫＣｊ溶
液側から、セル２の５ ｍＭＭＣＩ溶液側に１μＡの直
流電流と２０ ｃｍＨＯの圧力を印加した。また、セル
の大きさは容量１ ｃｃとした。発生した電気的インパ
ルスを第５図に示した。このような発振は約２０日間持
続した後停止した。この時点で両セル内のＫＣＩ ｉ３
度を溶液の電気抵抗を測定することにより測定したとこ
ろそれぞれ７５ｍＭ、３０ｍＭに変化していた。なお、
電気抵抗によろＫＣｌ９．度の検量線はあらかじめ作成
しておいた。
実施例第１図のような本発明の構成、すなわち、両セル
間にイオン透過性膜を導入し、この膜に１００ ｍＭ
ＫＣＩ 溶液側より４６０ｎｍＪｕ上の可視光を照射し
、５ｍＭＫＣＺ溶液側より３６０ ｎｍの紫外光を照射
して発振実験を行った。この場合、前記比較例の発振実
験と同様に２０ ｃｍＨ２０の圧力を印加したところ０
．０１μＡの直流電流を印加することにより第３図に示
すような数秒周期の電気的インパルスが得られた。これ
は第４図に模式的に示したように、上記イオン透過性膜
によるに１イオンの輸送に伴う電流分Ｉ３ｔ！け印加電
流を低減することができたためである。この能動輸送に
よる電流は照射する光量により調節できさらに印加電流
を低減することもできる。これにより両セル間のに°イ
オンの移動量は低減され、結局この実施例では発振は１
００日以上持続した。また１００日経過時点で、両セル
内のＫＣＩの濃度変化は全く検出されなかった。
間にイオン透過性膜を導入し、この膜に１００ ｍＭ
ＫＣＩ 溶液側より４６０ｎｍＪｕ上の可視光を照射し
、５ｍＭＫＣＺ溶液側より３６０ ｎｍの紫外光を照射
して発振実験を行った。この場合、前記比較例の発振実
験と同様に２０ ｃｍＨ２０の圧力を印加したところ０
．０１μＡの直流電流を印加することにより第３図に示
すような数秒周期の電気的インパルスが得られた。これ
は第４図に模式的に示したように、上記イオン透過性膜
によるに１イオンの輸送に伴う電流分Ｉ３ｔ！け印加電
流を低減することができたためである。この能動輸送に
よる電流は照射する光量により調節できさらに印加電流
を低減することもできる。これにより両セル間のに°イ
オンの移動量は低減され、結局この実施例では発振は１
００日以上持続した。また１００日経過時点で、両セル
内のＫＣＩの濃度変化は全く検出されなかった。
尚上記の電気的な発振を起こすために用いる塩溶液とし
て例えばＮａＣｊを用い、それに応じてクラウンエーテ
ルの大きさを変えることにより上述のイオン透過膜を設
計することも可能である。
て例えばＮａＣｊを用い、それに応じてクラウンエーテ
ルの大きさを変えることにより上述のイオン透過膜を設
計することも可能である。
（発明の効果）
以上詳細に述べたように本発明は、上述の生体類似薄膜
及びイオン透過性機能膜とからなり、これを用いたバイ
オ素子において素子機能、すなわち各種刺激による生体
類似膜の電気的な発振が著しく長時間持続することを可
能ならしめるのであり、バイオコンピュータを構成する
有用な素子を提供し得ろ。
及びイオン透過性機能膜とからなり、これを用いたバイ
オ素子において素子機能、すなわち各種刺激による生体
類似膜の電気的な発振が著しく長時間持続することを可
能ならしめるのであり、バイオコンピュータを構成する
有用な素子を提供し得ろ。
第１図は本発明実施態様の説明図、第２図はイオン透過
機構の説明図、第３図は本発明インパルス波形図、第４
図はイオン透過模式説明図、第５図は比較例インパルス
波形図である。 １・・・セル、２・・・薄膜、２ａ・・・生体類似薄膜
、２ｂ・・・イオン透過性膜、４・・・電源、６・・・
電極。 第 図 １ｓｔｌｔ−Ｉｓ イオン立φＬ孝莫式富地ｎｈ２ 第４図 比重女イ判インハ・ルズ透形忍 第５図
機構の説明図、第３図は本発明インパルス波形図、第４
図はイオン透過模式説明図、第５図は比較例インパルス
波形図である。 １・・・セル、２・・・薄膜、２ａ・・・生体類似薄膜
、２ｂ・・・イオン透過性膜、４・・・電源、６・・・
電極。 第 図 １ｓｔｌｔ−Ｉｓ イオン立φＬ孝莫式富地ｎｈ２ 第４図 比重女イ判インハ・ルズ透形忍 第５図
Claims (1)
- イオン性水溶液中に両側にイオン濃度差を設けて隔膜と
して設置される薄膜であって、該薄膜が、生体刺激物質
による刺激で上記イオンの透過性を変え電位発振又は発
振パターン変化などの電気信号を発生する生体類似薄膜
と、該生体類似薄膜に並列して設置され光による可逆的
異性化で上記イオンを一方向に透過させるイオン透過機
能性膜と、からなるバイオ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1093004A JP2950549B2 (ja) | 1989-04-14 | 1989-04-14 | バイオ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1093004A JP2950549B2 (ja) | 1989-04-14 | 1989-04-14 | バイオ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02272783A true JPH02272783A (ja) | 1990-11-07 |
| JP2950549B2 JP2950549B2 (ja) | 1999-09-20 |
Family
ID=14070234
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1093004A Expired - Fee Related JP2950549B2 (ja) | 1989-04-14 | 1989-04-14 | バイオ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2950549B2 (ja) |
-
1989
- 1989-04-14 JP JP1093004A patent/JP2950549B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2950549B2 (ja) | 1999-09-20 |
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| Date | Code | Title | Description |
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