JPH03244171A - バイオ素子 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、生物の神経細胞における情報発現や伝達機
能を模倣し、また種々の認識を行うことが可能な興奮性
人工膜を用いたバイオ素子に関する。

（従来の技術） 従来のコンピュータにおける素子は、主にシリコン半導
体素子等の無機系材料によって構成されており、その処
理機能はフォノ・ノイマン（ＶａｎＮ　ｅ　ｕ　ｍ　ａ
　ｎ　ｎ　）方式によって直列型の論理演算を実行する
ものであった。この方式は、正確な論理演算を行うこと
ができるが、例えば高等生物の脳が得意とするパターン
認識に必要な多数の情報処理を同時に並行して行うこと
が困難であるという欠点を有していた。

一方、近年生体の認識機能に関する研究が急速に進んで
おり、例えば上述の脳を構成する複数の神経細胞にニュ
ーロン）が、生体の学習や記憶に伴なって、互いの結合
関係を適宜に変化させ、所謂、可塑性を有することが明
らかになりつつ有る。

しかしながら、脳に見い出されるようなパターン認識や
学習・記憶といった機能が、どのような原理に基づいて
実行され、さらには、どのような構成成分で営まれてい
るのかについては未だ不明点が多く、多数の研究者によ
ってそれらの解明が進められている。

一般に生物は、外界からの種々の刺激を知覚器官で受は
入れ、ニューロンや複数のニューロン間を接合するシナ
プスを介してこれらを脳に伝達し多数のニューロンで構
成される脳で情報認識を行っている。このような認識機
能の一例につき説明する。

まず、外界からの刺激（情報）は電気的な信号に変換さ
れ神経インパルスが発生する。この神経インパルスがニ
ューロンを構成する軸索の末端に到達すると、神経伝達
物質と称される小胞中に内包された化学物質が放出され
る。このような神経伝達物質としてアセチルコリン等や
、広義ではカルシウムイオン（Ｃａ’）等のイオンも知
られており、細胞外に放出された神経伝達物質は、例え
ば隣接する細胞の形質膜に存在する受容体を介して細胞
内に取り込まれ新たな神経インパルスを誘起する。

さらに、かかる神経インパルスを受けたシナプス前膜か
らは、上述と同様に神経伝達物質の放出が生じ、隣接す
る他のシナプス後膜まで拡散し、受容体を介した取り込
み、神経インパルスの誘起が行われる。このような神経
インパルスを介した一連の情報伝達は興奮と称され、複
数のシナプスを経て脳に達すると考えられている。

このような生体系を模倣し、並列的な情報処理を行うに
当り、前述した形質膜を構成する脂質を利用して、機能
素子を実現しようとする試みがある。

例えば、「合成脂質膜における相転移と自励発振現象ｊ
　（都甲　潔他、膜（ＭＥＭＢＲＡＮＥ）　、　１２（
１）。

Ｐ、１２〜２１．１９８７年）に開示されるように、多
孔質膜に脂質を吸着させた興奮性人工膜（以下、単に人
工膜と称する場合も有る。）を用い、この人工膜が自動
発振する現象が知られている。

以下、上述の自動発振現象につき簡単に説明する。数（
ハ）程度の孔径を有する多孔質膜に、合成脂質であるジ
オレイルホスフェートを吸着させて人工膜を作製する。

このような人工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状
態とする。かかる状態に置かれた人工膜は、数分〜数十
分の周期で、これら電解液の間に所定の電位差を生し、
電気的インパルスが発生する。このような周期の自動発
振は長周期発振と称される。

次に、上述した塩濃度差（イオン濃度勾配）に加えて、
人工膜に直流電流を印加し、しかも当該膜に所定の圧力
を加えることにより、短周期発振と称される数秒周期程
度の自動発振が観測される。

この短周期発振は、上述の直流電流値を変化させること
によって、電気的インパルスの発振周期を制御すること
ができる。

上述の自動発振のメカニズムは、例えば油滴状態から多
重膜への変化のような、脂質の相転移に伴なうものと考
えられている。このような興奮性人工膜を用いることに
より、ニューロンやシナプスの機能を模倣したバイオ素
子を構成することが可能である。

上述の如き人工膜を利用したバイオ素子として、この出
願に係る発明者等は、特願昭６３−９６８５１号及び特
願昭６３−１９２１１６号によるものを提案し、例えば
バイオコンピューターや種々のセンサ等への応用が期待
されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上述した従来のバイオ素子においては、
周期を変えて短周期を発振させ各種情報処理目的に適合
させようとする場合、前述の塩濃度差に加えて、直流電
流及び外的な圧力を付加しなければならないという問題
点があった。

この発明の目的は、かかる問題点に鑑み、検討を行った
結果、短周期の自動発振を行わせるに当って必要であっ
た外的圧力を不要とし、さらに直流電流を低減あるいは
不要とすることが可能なバイオ素子を提供することにあ
る。

（課題を解決するための手段） 本発明は、オレイル基をもつ脂質を吸着させてなる興奮
性人工膜を挾む低濃度側の塩溶液のｐｌ＋を４以下に設
定し、これにより、人工膜の自動発振にあたって外的圧
力を不要とし、さらに直流電流を低減あるいは不要とな
るようにしたものである。

（作　用） この発明は、上記のように興奮性人工膜の両側塩濃度の
低濃度側ｐＨが４以下であり、その低塩濃度側の溶液中
のＨ゛が増加すると、該低塩濃度溶液側から高塩濃度溶
液側へのＨ゛の拡散が生ずる。その結果として電気的中
性条件を保つための自動発振を行わせるに必要な高塩濃
度溶液側から低塩濃度溶液側への陽イオンの流れが促進
されることになる。

（実施例） 以下、図面を参照して、この発明の実施例を詳細に説明
する。

用いるオレイル基をもつ脂質であるジオレイルホスフェ
ート（ＤＯＰＨ）は、オレイルアルコール（関東化学■
製）とオキシ塩化リン（関東化学■製）とを常法の合成
手段によって反応させ、得られた合成物質を加水分解す
ることによって得た。

得られたＤＯＰ）ｌをベンゼンに浴温させ、この溶液中
に、８（ａｍ）の孔径を有するセルロース・エステル製
の多孔質膜（商品名、ミリポアフィルタ−ミリポア社製
を浸漬させた。このようにして、ＤＯＰＩ＋４■／ｃＩ
ＩＩ（乾燥重量）の吸着量で多孔質膜に吸着させて人工
膜を作製した。

第１図に示すように、上記人工膜１１ば、第１電解槽１
３ａに収容された１　００　ｍＭＫｆＪ水溶液１５ａ、
及び第２の電解槽１３ｂに収容された５ｍＭＫｃｆ水溶
液１５ｂの双方に接する状態で支持される。

上記ＫＣ１水溶液１５ａ及び１５ｂには、夫々銀塩化銀
（Ａｇ−Ａｇｃｚ）電極１７ａあるいは１７ｂがそれぞ
れ浸漬設置される。そして高濃度側ＭＣＩ水溶液１５ａ
中に浸漬された電極１７ａは、直流電源１９の陽極側に
接続され、又低濃度側ＫＣ４水溶液１５ｂ中の電極１７
ｂは同陰極側に接続されている。さらに、上記人工膜１
１に加わる電位差の時間変化を測定して記録するため、
高インピーダンス電位計と、Ｘ−Ｙレコーダとからなる
測定器２１を設け、その銀−塩化銀電極２３ａ、及び２
３ｂを上述したＫＣＩ水溶液１５ａ、１５ｂのそれぞれ
に浸漬させる。

又前記第１電解槽１３ａにはマノメーター２５が配設さ
れ矢印ａを付して示す外的圧力を上記人工膜１１に対し
て加えることが可能な構成としである。

電解槽１３ｂ中の５ｍＭＫＣ４水溶液にＨＣＩを添加し
ｐｌ＋を変化させた場合の電位の自動発振を測定した。

第２図は、５ｍＭＫ（Ｊ水溶液のｐＨと、自動発振を生
ずるのに必要な外的圧力及び直流電流との関係を示す。

なお上記測定においては、純水を用いた場合のＭＣＩ水
溶液（ｐＨ５，８）より開始し、当初直流電流は０．５
μＡに固定しておき、外的圧力が不要となった後、直流
電流を徐々に低減させた。

第２図の結果から明らかなように、ｐＨの減少にしたが
って発振開始圧力は急激に低減されｐＨ４に到って不要
となった。さらにｐＨを低下させると、直流電流も徐々
に低減されｐＨ２，５において不要となった。ｐＨ２，
５以下では、外的圧力及び直流電流の印加なしに発振が
生し、その周波数はｐｎを下げるにしたがって増加し、
ｐＨ１以下では乱れた波形へと変化した。

第３図にはｐＨ２，５とｐｌｌｌにおける発振波形を示
した。なお、この図において縦軸は５ｍＭＫＣ／水溶液
側を水溶上側た膜電位であるが、ｐＨ５，８の場合（Ｈ
Ｃ／を添加しない場合）とは符号が逆転している。

なおこの符号の逆転はｐｎ　３．５を境にして起こった
。

上記の実施例における各種の条件はこの発明の範囲内で
任意好適な変更及び変形が行い得る。例えば上記ｐＨ変
化にあたり、ＨＣＩに代え、他のＨ２Ｓ０４Ｃ１（３Ｃ
ＯＯＨ等を用いても同様の効果が見られた。

又用いるオレイル基をもつ脂質については、上記ジオレ
イルホスフェートの外に、モノオレイン又はトリオレイ
ンが使用され上述と同様の効果が得られる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明はオレイル基をもつ
合成脂質、例えばジオレイルホスフェートを吸着させて
成る人工膜の接する低濃度側溶液のｐＨを４以下とする
ことにより、該人工膜に対する自動発振を行わせるに必
要であった外的圧力を不要とし、さらに直流電流を低減
あるいは不要とすることが可能となるので工業的利用効
果の大きいバイオ素子として有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例のバイオ素子の自動発振説明図
、第２図は同特性説明図、第３図は同波形図である。 １１・・・人工膜、１３ａ、１３ｂ・・・電解槽、１５
　ａ、　　１５　ｂ−ＫＣＩ水溶液、１７ａ、１７ｂ。 ２３ａ　　２３ｂ・・・電極、ａ・・・圧力。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）オレイル基をもつ脂質を吸着させてなる興奮性人
   工膜を挾む低濃度側の塩溶液のｐＨを４以下に設定した
   ことを特徴とするバイオ素子。
2. （２）前記脂質は、ジオレイルホスフェート、モノオレ
   インまたは、トリオレインとすることを特徴とする請求
   項１に記載のバイオ素子。