JPH07143971A

JPH07143971A - 神経細胞を磁気的に刺激する方法

Info

Publication number: JPH07143971A
Application number: JP6153120A
Authority: JP
Inventors: Daniel S Gluck; ダニエル・エス・グルック
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-06-11
Filing date: 1994-06-13
Publication date: 1995-06-06
Also published as: GB9411488D0; GB2278783A; US5738625A; DE4420233A1

Abstract

(57)【要約】【目的】神経細胞に対し集束しかつ小電流の磁気的刺激
を加えるための新規で改良された方法を与える。【構成】第１エネルギー場が神経細胞を静的状態から
動的状態に刺激するため付勢される。第１の場は、細胞
膜内外電位差が両状態と異なるように、静的状態から細
胞を変化させる。膜内外電位差が両状態と異なるとき、
循環磁気成分を含む場は細胞に付勢される。循環磁気成
分は周波数及び振幅を有し、かつ循環磁気成分の各周期
が細胞を静的状態から動的状態に変化させることなく細
胞の膜内外電位差の増分変化をもたらすような第１エネ
ルギー場からの効果と結合される。細胞に付勢される循
環磁気成分は、時間間隔及び振幅を有し、かつ増分変化
の累積により細胞状態を静的状態から動的状態へ変化さ
せるような第１エネルギー場の効果と結合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は概して神経単位（neuron
s)及び神経細胞体(nerve cells)のような神経細胞を磁
気的に刺激する方法に関し、特に場のエネルギーの調節
効果がその場のサイクリックな磁気成分と関連づけられ
るところの方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】磁気的刺激は、まず健康組織を害さず、
痛みもなく及び運動神経系の傷害場所に関する比較的安
全な準定量的データをもたらすので、多くの医療場面で
有用であると認められる医療上便利な技術である。神経
系の磁気的刺激は、多発性硬化症、頚部脊椎障害、並び
に大脳皮質の白色物質、脊柱の白色及び灰色物質、及び
末梢運動神経束の変性及び遺伝性疾患を診断し鑑定する
ために医療上使用されてきた。その他の重要な応用は、
てんかん手術に先立って患者を診断するのに運動性言語
領の皮質をマッピングすること、及び手術中に脳と脊椎
の間をモニターするためのポテンシャルを引き出す運動
神経を得ることを含む。神経系の磁気的刺激はまた、運
動神経の発達、器質化及び外傷からの回復を評価するの
にも使用されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の神経系磁気的刺
激の処理及び装置は頭蓋内の刺激に対し正確な集中を達
成することができなかった。本発明による装置は、少な
くとも７cm四方の比較的大きな皮質表面領域へ刺激を限
定する。この限定は磁気的刺激が、神経病理学に基づい
て錐体以外の束(track)の傷害を錐体の束から分別する
のを妨げるばかりか、脳幹領域を含む頭蓋内の傷害のよ
り正確な位置決めや、脳の辺縁、間脳及び脳幹領域の神
経病理学的調査、及び現在は硬膜下に移植された1×1cm
グリッドの電極アレイを使って達成された脳マッピング
(brain-mapping)の妨げとなってきた。硬膜下に移植さ
れた電極アレイは健康な組織を冒し、痛みを伴い且つ安
全性が低いので不利である。

【０００４】本発明の目的は、神経細胞に対し集束した
磁気的刺激を与える新規で改良された方法を与えること
である。

【０００５】他の目的は、神経病理学に基づいて錐体以
外の束の傷害を錐体の束から分別する無害で、痛みのな
い比較的安全な方法を与え、脳幹領域を含め頭蓋内の運
動神経及び他の傷害のより正確な位置を与え、且つ辺
縁、間脳及び脳幹領域の神経病理学的調査並びに脳マッ
ピング性能を与えることである。

【０００６】Johns Hopkins APL Technical Digest, Vo
l. 12, No. 2, (1991), p153-158及びMagnetic Stimula
tion in Clinical Neurophysiology, の本の第３及び
４章13〜43頁において、Eatonにより説明されているよ
うに、磁気刺激器は神経細胞組織内に渦電流を生成させ
る磁場をもたらす。Eatonは、刺激コイルへ付勢される
比較的短持続時間（例えば、450μsec）を有する高振幅
電流パルス（例えば、最大約5300A）が減衰正弦電流を
細胞内に誘導することを報告している。CohenらによるC
linical Neurophysiology, Vol. 8, No. 1(1991)pp.102
-120に示されているように、磁気刺激の焦点化は高振幅
パルス（例えば、2500Aピーク）を図８の形状を有する
コイルに供給することにより改良される。Caldwellによ
り米国特許第4940453号及び5047005号で報告され、並び
に上記本の第４章に記載されているように、減衰正弦電
流もまた神経細胞を刺激する。上記文献から、従来技術
では励起コイルに印加されるのに実質的に高い電流が要
求されるため、ブレークダウンの可能性や、患者及び分
化したソースを傷つける可能性がでてくる。

【０００７】本発明の他の目的は、小電流による磁気神
経細胞刺激器の方法を与えることである。

【０００８】有随神経細胞の電気的刺激に関する機構
は、ReillyによるJohns Hopkins APLTechnical Digest,
Vol. 9, No. 1(1988), pp. 44-59に説明されている。
静止状態において、哺乳類動物の細胞内部の電圧は細胞
内部と比較して約-90mVであり、細胞膜を横切るポテン
シャルは膜内外電位差と呼ばれている。静止状態のポテ
ンシャルは膜の反対側でのイオン（主にNa⁺及びK⁺）の
異なる濃度により生じる。膜は反対極性のソースENa及
びEKとそれぞれ直列の非線形コンダクタンスg_Na及びg_K
をそれぞれ含む並列分岐としてモデル化される。十分な
電気的刺激に応答して、g_Na及びg_Kの値に準段階変化が
生じ、g_Na値がg_K値以下の値からg_K値以上の値へ変化す
る。該分岐は、それぞれ容量及びE_Kと極性の等しいもう
一つのDCポテンシャルソースと直列の線形コンダクタン
スg_Lを有する、２つの付加的な分岐により短絡される。
十分な電気的刺激とともに膜を横切ってイオン泳動が生
じ、g_Na及びg_Kの値に準段階変化が生じ、哺乳類におい
て+20mVの急激な細胞膜内外電位差が生じ、+20mV印加さ
れたとき細胞は極性が解消された状態になる。偏極と減
極との間には、過分極状態と呼ばれる中間の膜内外電位
差が存在する。

【０００９】g_Na及びg_Kの値は、コンダクタンス、容量
及びポテンシャルにより決定される替わりに膜内外電位
差により決定される。g_Na及びg_Kの非線形性並びに短絡
容量の効果のため、適当な周波数をもつAC刺激の付勢
は、刺激の各サイクル中で増分膜内外電位差の変化を引
き起こす。g_Na、g_K、g_L及び膜容量の時間的効果は細胞
の積分時間定数と呼ばれる。

【００１０】循環磁気刺激パターンのある程度の時間積
分を達成するために、刺激連続時間、すなわち細胞への
AC付勢時間は刺激されている神経線維の時間的積分時間
定数の分数でなければならない。神経線維の時間的ふる
まいは従来より、強度継続時間定数(S-D)として説明さ
れている。強度継続時間定数は、約50μsecからほぼ1μ
secまでのレンジの末梢神経刺激に対して実験的に決定
される。時間的積分間隔はいくつかの強度継続時間定数
まで拡張する。

【００１１】強度継続時間定数は、脂肪性の通常非導電
性神経膜を横切るイオン泳動による電流フラックス分配
と同様に、励起可能な組織のふるまいを表す。時間定数
は、膜電流フラックス分配密度の増加により減少し、電
流フラックス密度の減少により増加する。膜電流フラッ
クスは縮小電場の空間的ふるまい及び細胞の形状の両方
に応答する。膜電流フラックス密度へ寄与する２つの要
因は、縮小電場傾斜の大きな値と細胞の屈曲形状であ
る。

【００１２】刺激された領域は刺激の極性、すなわち縮
小電場の方向性に依存する。磁気的に縮小された電場
は、要求により正及び負の位相を有する電荷平衡の刺激
である。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの態様によ
ると、細胞を静的状態から変化させるべく第１エネルギ
ー場を細胞に付勢することで、神経細胞は偏極した静的
状態から、静的状態の膜内外電位差と実質的に異なる膜
内外電位差を有する動的、励起状態へ刺激され、その結
果、細胞膜内外電位差は静的状態と動的状態とで異な
る。細胞膜内外電位差が静的状態と動的状態とで異なる
一方で、循環磁気成分を有する場が細胞に付勢される。
循環磁気成分は周波数及び振幅を有し、循環磁気成分の
各サイクルが静的状態と動的状態との間で細胞を変化さ
せずに細胞の膜内外電位差の増分変化を引き起こすよう
な第１エネルギー場の効果と結合される。細胞に付勢さ
れた循環磁気成分は時間間隔と振幅を有し、増分膜内外
細胞電位差の累積が静的状態と動的状態とで細胞に変化
をもたらす第１エネルギー場の効果と結合される。それ
によって、磁場成分を引き出すコイルへ比較的大きな電
流を付勢せずに各状態間を転送される。

【００１４】発明の態様によって、方法は刺激されるべ
き神経細胞を含む試料の近傍の異なる位置に複数の磁気
コイルを配置することにより実行される。異なるコイル
は、コイルのひとつに付勢される電流が循環成分を含む
ような異なる時間的特性を有する電流により励起され
る。異なるコイルを励起する電流により生じる磁場は、
他のコイルの少なくともひとつからの磁場により、細胞
膜内外電位差が静的状態から静的状態と動的励起状態の
間の状態へ変化するように、細胞に結合される。膜内外
電位差が静的状態と動的状態の両方で異なるとき、循環
成分が細胞に適用される。細胞に適用された循環磁場成
分は時間間隔及び振幅を有し、かつ細胞状態を静的状態
から動的状態へ変化させる増分変化の累算を引き起こす
他のコイルからの磁場の効果と結合される。

【００１５】本発明のひとつの実施例において、第２コ
イルが強度持続時間定数より小さい間隔を有するAC電流
により励起される間、第１エネルギー場は第１コイルへ
単極性一定パルスを印加することにより導かれる。

【００１６】もう一つの実施例において、刺激される細
胞が配置されるところの体積を含むそれよりかなり大き
な体積は、DC単極性電流パルスを該体積を内包するコイ
ルに付勢することにより過分極される。残りの細胞が過
分極される間、減極磁場は他のコイルを通じて刺激細胞
に付勢される。

【００１７】本発明の上記及び他の目的、特徴並びに利
点は、以下の発明の詳細な説明及び図面の考察により明
らかにされる。

【００１８】

【実施例】図１を参照すると、人間の脳内部の神経細胞
を刺激する本発明のひとつの実施例が示されている。２
つの両面平坦なパンケーキ形の螺旋コイル10及び12が人
体頭部14上に設置されている。刺激されるべき神経細胞
は、コイル10及び12のそれぞれの外側領域16及び18に近
接して下方に線に沿って配置される。１つの実施例にお
いて、各コイル10及び12はコイルの巻数が例えば10回で
等しく、コイル10に関してはコイル12の直径の半分より
少し小さい直径を有し、本実施例ではコイル10および12
はそれぞれ2.5及び6cmの直径を有する。コイル10及び12
の巻数は、コイルにより引き出された磁気フラックスが
脳内部に集束した刺激を与えるべく付加的に頭部14内の
刺激される神経細胞内の上述のラインに沿って最大振幅
に結合するよう換えられる。

【００１９】コイル10及び12の端子はそれぞれ、正弦パ
ルス（双極性）ソース20、及びテレビのカソード光線チ
ューブの偏向コイルに付勢される台形波形に多少類似す
る波形を有する傾斜パルス（単極性）ソース22へ接続さ
れる。好適実施例において、ソース20は80kHzの正弦キ
ャリア波を1msec間隔で引き出し、一方、正方向傾斜は
0.2msecの間ソース22からもたらされ、その後ソース22
の電流は約0.2msecの間一定に維持されるか、徐々に減
少する。ソース20のさまざまな周波数に対し、ソース20
からの場により神経細胞内の増加した電圧において、対
応する相似的変化が存在する。その他の適当な10kHzと
同等に低い周波数はソース20から導かれ、ソースのオン
タイム（on-time)は他の適切な値であり、ソース22から
のパルスの間隔及び形状は必要により変えられる。

【００２０】ソース20及び22からの波を連続的にまたは
同時にコイル10及び12に付勢することを可能にするため
に、ソースの動作は、パルスソース22及び可変遅延回路
26へ並列に供給する出力を有するトリガーソース24によ
り同期される。パルスソース22はコイル12に付勢される
0.2msecの準矩形波単極性パルスを引き出すべく、トリ
ガーソース24の出力に応答し、一方遅延回路26はトリガ
ーソース24の出力を0と0.2msecの間で遅らせる。パルス
ジェネレータ28は遅延回路26の出力に応答するよう接続
され、ソース20の割り込み可能入力に供給される1msec
の間隔を有する準矩形波を引き出す。それにより、1mse
cの間に正弦電流の80周期がソース20によりコイル10へ
供給される。

【００２１】コイル10及び12は供給される電流に応答
し、刺激されるべきターゲットの神経細胞に付勢される
磁気フラックスを引き出す。すなわち、コイル10はAC電
流に応答しAC磁場を引き出す一方で、コイル12は傾斜電
流に応答し比較的一定のDC磁場を傾斜中に引き出す。従
って、DC磁場は急激に減少する。コイル10または12から
のそれ自身のフラックスは、ターゲット神経細胞を偏極
された静的状態から減極された動的または励起状態へ刺
激するには不十分である。磁気フラックスの効果はター
ゲット神経細胞に付加的に結合され、細胞を静的状態か
ら動的状態に転移させる。コイル12からの磁場はターゲ
ットの神経細胞の膜内外電位差を静的状態から動的状態
より幾分低い膜内外電位差を有する中間状態に上げる。
例えば、膜内外電位差は偏極と減極ポテンシャルの差の
約90％まで上げられる。ターゲット神経細胞は非線形な
記憶性質を有するため、DC磁場効果はターゲット内に残
存し、かつその効果がほとんど無視できる程度になった
後でさえAC磁場効果と結合される。

【００２２】コイル10は、周波数及び振幅を有し、ソー
ス20からの磁気成分の各サイクルが静的状態から動的状
態へ細胞を変化させることなくターゲット神経細胞の膜
内外電位差を増分変化させるような、循環磁場成分を生
成する。コイル10によりターゲット神経細胞に付勢され
る循環磁気成分の時間間隔及び振幅は、コイル12からの
磁場の効果と結合して細胞増分変化の累積をもたらし、
その結果ターゲット細胞は静的状態から動的状態へ変化
して励起または刺激を受ける。

【００２３】実際に、コイル12からの磁場は、ターゲッ
ト細胞組織をより励起させ、かつコイル10及び12に要求
される電流を非常に削減するような、刺激を条件付けす
る補助しきい値を生成する。コイル10及び12からの磁場
の相互作用は非線形神経細胞の性質を利用するが、それ
はFrankenhaeuser-Huxleyの非線形膜の電気力学方程式
を伴う有随神経モデルを使用することで研究されてき
た。この方程式は、神経細胞が細胞内に高濃度のカリウ
ムイオン(K⁺)を有し、細胞外に高濃度のナトリウムイオ
ン(Na⁺)を有するという事実に基づいている。神経細胞
は電気的に非伝導性の脂肪から成る細胞膜を含み、細胞
が静的状態から動的状態に変化するに従って閉止から開
口状態に変化するチャネルを含む。磁場から生じる電気
的刺激に応答して、ナトリウムイオンは細胞膜のひとつ
の領域に進入し、他の領域からのイオンと置き換えられ
る。イオンの移動は連続的であり、磁場により細胞内に
導かれた電流に応答して生じる。動的状態に達するべき
しきい値に近づくにつれ、非線形タイプの回路応答を形
成するためにほとんどすべてのチャネルが開く。該チャ
ネルは電圧ゲートのナトリウムチャネルと考えられてい
る。細胞膜に沿って広がる微少電流を作りながら、ナト
リウムイオンは細胞内に移動する。すべてのチャネルが
開くとき、細胞の励起とともに電圧の変化が起こる。

【００２４】コイル10及び12からの磁場間の相互作用効
果は、コイルに供給される電流の大きさ、波形のタイミ
ング及びコイル10に付勢される電流の周波数などのさま
ざまなパラメータに依存する。ターゲット神経細胞の励
起しきい値の90％に近づく振幅を有する0.2msecの条件
付き電場、及び1msecの間コイル10に付勢される80kHzの
周波数を有する正弦波形を供給するコイル12の条件を考
える。コイル12からの磁場が消滅した後すぐにコイル10
からの磁場が発生するように、コイル10及び12がこれら
のパラメータにより連続して励起されるには、ターゲッ
ト神経細胞の刺激のためにコイル10に付勢される電流の
振幅は、コイル10のみが刺激に使用されるとしたときの
コイル10に供給される電流振幅の50％でなければならな
いことが示された。一方、コイル10及び12に付勢される
波形が同時の前縁を有するなら、刺激を達成すべきコイ
ル10に供給される電流の振幅はコイル12からの磁場が存
在しない状態でコイル10に付勢されるべき電流のほんの
29％である。

【００２５】図１に示された装置は、単一コイルの２つ
の対称的で平坦な螺旋パンケーキ形ループがそれぞれ直
列に連結されるところのCohenらにより開示された従来
装置(supra)に比べ、かなり改良された集束性を有す
る。改良された集束性は、従来に比べ小さいサイズのコ
イル10を使って磁場フラックス密度のピークを狭い領域
に限定することで本発明により達成される。もしそのよ
うな小さいコイルが従来技術に従って励起されれば、小
さな断面領域に対応するピークの狭いフラックス密度が
頭蓋骨を通過し脳に達することができるよう、禁止的大
電流を要求する。一方、コイル10及び12からの磁場の組
み合わせ効果により、２つの直列に連結されたループ形
状の単一コイル条件で要求されるピーク電流を非常に削
減できる。

【００２６】図２(a)及び(b)は発明の第２の実施例を示
し、そこでは、平坦な螺旋パンケーキコイル42、44及び
46は試料である頭部14上に設置されるが、コイル42及び
44は頭上の反対側に対置され、一方コイル46は脳及びタ
ーゲット神経細胞の上方の頭部の上にエッジで立って配
置される。

【００２７】コイル42及び44は神経細胞を過分極するべ
く試料の脳の大きな体積へ磁場を同時に供給する。すな
わち、該体積内の神経細胞の膜内外電位差は偏極した静
的状態に比べより負のレベルに増加する。減極場はコイ
ル46によりターゲット神経細胞に付勢されるが、ターゲ
ット領域付近の神経細胞は過分極されかつ除去されてい
るので、コイル46により供給される大きさの刺激インパ
ルスによっては刺激されない。双極性、単極性または傾
斜電流のいずれかがコイル42、44及び46に供給される。
コイル42及び44のパルスは、コイル46に供給される電流
のオンタイムより少ないか、等しいかまたは多い時間間
隔を有する。

【００２８】これらの目的に対し、図２(a)及び(b)の実
施例では、トリガーソース48が傾斜波形パルスソース5
0、遅延エレメント52及び54へ並列にトリガーパルスを
供給する。パルスソース50は、コイル42に供給される0.
2msecの単極性傾斜電流パルスを誘導するためにトリガ
ーパルスに応答する。遅延回路54はトリガーソース48の
出力に約0.2msecの遅延時間を与えた後、コイル44に供
給されるべき0.2msecの単極性傾斜電流パルスを生成す
るようパルスジェネレータ58を動作状態にする。さら
に、遅延回路52はトリガーソース48の出力に約0.4msec
の遅延時間を与えた後、コイル46に供給されるべき0.2m
secの単極性傾斜電流パルスを生成するようパルスジェ
ネレータ56を動作状態にする。

【００２９】このように、それぞれ0.2msecの時間間隔
を有する単極性磁気フラックスは、試料の脳の広範囲に
わたって、この領域内の神経細胞を過分極するべくコイ
ル42及び44により供給される。この領域の神経細胞がコ
イル42及び44からのフラックスにより過分極された後、
減極電流が傾斜ソース56によりコイル46へ0.2msecの間
供給される。

【００３０】コイル42及び44からの磁場はコイル46下の
神経細胞より、コイル42及び44の下の細胞を過分極する
べく作用する。従って、これらの細胞の膜内外電位差は
静的状態より負のレベルへ増加する。コイル46からの磁
場はこれらの細胞を減極するためターゲット細胞上で集
束される。ターゲット領域の大きさは過分極される神経
細胞の隣接ゾーンであって、それらを静的状態から動的
状態に変化させるにはコイル46からの磁場では減極が不
十分であるところの領域により効果的に減少される。

【００３１】近接する過分極コイルを使ってターゲット
領域の効果的サイズを限定するための技術は、刺激領域
のサイズをさらに微調整する本発明の他の実施例のいく
つかと関連している。さらに、単極性、双極性及び傾斜
パルスパターンの多くの組み合わせが所望の目的を達成
するために使用される。

【００３２】図３は本発明の他の実施例を示し、それは
単極性またはAC磁場励起の組み合わせで、マイクロ波場
励起を含む。マイクロ波は、神経細胞のすぐ上にアパー
チャ58を設置したマイクロ波ホーン56によりターゲット
神経細胞へ結合される。ホーン56は、一端で波ガイド60
に、他端で2.8GHz程度の周波数を有するパルスマイクロ
波ソース62に結合する。

【００３３】マイクロ波ソース62は、パルスソース64の
出力により可能にされ、順にトリガーソース68により作
動された遅延回路66の出力に応答する。トリガーソース
68の出力もまた遅延回路66と並列のパルスソース70を作
動する。パルスソース70は、0.2msec程度の所定の間隔
を有する単極性またはACパルスを誘導するべくトリガー
ソース68からのパルスに応答する。ソース70からのパル
スもまた、ソース22と同様傾斜する。ソース70の出力
は、図１のコイル12と同様に構成された平坦パンケーキ
形螺旋コイル72に付勢される。遅延エレメント66は0か
ら0.2msecまでの可変遅延を有し、その結果マイクロ波
エネルギーは、ホーン56によりコイル72からの磁気フラ
ックスの付勢と同時または連続してターゲット神経細胞
に供給される。

【００３４】コイル72からの磁場は、図１の実施例にお
いてコイル12からの磁場がターゲット神経細胞を刺激す
るのと同じ方法で刺激されるよう神経細胞を条件づけ
る。組織のホーン56からのマイクロ波場との相互作用は
コイル72からの磁場の効果と結合し、図１で説明したsu
praと類似な方法でターゲット神経細胞を刺激する。従
って、ホーン56から誘導された場は、コイル10からの磁
場がコイル12からの磁場と相互作用するのと類似の方法
で、コイル72からの磁場と相互作用する。

【００３５】コイル12及び72の条件付け効果は、超音波
高周波ソースまたはターゲット神経細胞を照射するX線
ソースのような他のエネルギーソースから誘導される。

【００３６】図４は本発明による他の実施例を示し、そ
こでは集束された超音波圧縮波ソースがマイクロ波ソー
スと組み合わせて使用されている。超音波トランスデュ
ーサ74は、ホーン56のアパーチャ58を形成する側壁57に
近接した頭部の頂上に配置される。トランスデューサ74
は2MHz程度の周波数を有するACソース76により励起さ
れ、ターゲット神経細胞を照射するための集束超音波ビ
ームを生成する。集束超音波ビームは力学的にターゲッ
ト神経細胞を振動させ熱し、それによって、ターゲット
神経細胞を偏極静的状態から動的、励起状態に変化させ
るのに必要な電流を減少させると信じられている。ホー
ン58からのエネルギーに応答する組織の相互作用は、こ
れらの神経細胞を励起状態に対して変化させずにターゲ
ット神経細胞の膜内外電位差における増分変化を引き起
こす。ホーン56からのマイクロ波エネルギーは増分変化
の累積をもたらすように十分に長時間の間供給され、そ
の結果ついにはターゲット神経細胞は静的状態から動的
状態へ変化する。もし、X線ソースが超音波ソースの替
わりに使用されると、ターゲット神経細胞を照射するX
線からのエネルギーに応答して、類似の力学が生じると
信じられている。

【００３７】図５は本発明のその他の実施例を示し、そ
こでは図１のコイル10から誘導された磁場が非対称であ
り、その結果コイル電流周期の正半分から生じる磁場は
負半分から生じる磁場より大きい。この目的のため、コ
イル10はコイル10からの磁場の影響を受けないよう非磁
性体材料からできた超音波バイブレータ78の底面に設置
される。バイブレータ78は、それが試料の頭部14の頂上
で概して横方向に、すなわち螺旋パンケーキ形コイル10
の面に対し面に沿って横方向に振動するように、組まれ
ている。その他、バイブレータ78はコイル10とほぼ同一
面上で振動するよう配置されている。

【００３８】バイブレータ78は、可変移相器81に連結さ
れた励起端子80を含み、該可変移相器81はパルス正弦波
ソース20の出力によりコイル10と並列に作動する。移相
器81は、バイブレータ78及びコイル10がコイルのAC電流
と同期して物理的に振動するように調節される。バイブ
レータ78の力学的振動及びコイル10に供給される励起電
流の位相は、コイル電流が周期の正半分に向かうとき、
バイブレータ78の横方向振動を仮定してコイルは試料頭
部の頂上に近接して存在するというものである。逆に、
コイル電流の周期の負半分の間は、コイルは頭部の頂上
からほんの少し離れて、バイブレータ78により横方向に
移動される。それによって、コイル10から試料ターゲッ
ト神経細胞へ結合されたAC磁場は、周期の負半分の間よ
り正半分の間のほうが大きい振幅を有する。図１の構成
で達成されたより大きな神経細胞の膜内外電位差の増分
変化がソース20の各周期の間で発生するように、神経細
胞へ非対称磁場が付勢される。

【００３９】もし、バイブレータ78がコイル10の面で振
動するように調節されれば、コイル12に近接するコイル
10の周縁がコイル10に正電流が流れている間コイル12に
近接配置するように、移相器81は調節される。コイル10
を流れる電流の周期の負半分の間に、コイル10がコイル
12の近接エッジから離れて移動されるようにバイブレー
タ78は作動する。それによって、コイル10の電流の周期
の負半分の間より正半分の間の方がより大きな磁気フラ
ックスがターゲット神経細胞に供給される。ソース20か
らのAC電流の各周期の間に、この非対称性はターゲット
神経細胞の膜内外電位差におけるより大きい増分変化を
もたらす。

【００４０】他の実施例において、超音波バイブレータ
からの圧縮波がコイルの下の組織に集束され、これらの
組織はコイルに流れるAC電流によりもたらされた磁場の
正及び負の位相に同期して磁場の内と外に力学的に振動
させられる。ターゲット神経細胞は正の位相中の最強度
場内に持ち込まれ、一方他の近くのターゲットでない神
経細胞は負の位相中の最強度場内に持ち込まれる。

【００４１】他の実施例において、異なる特定の振幅、
時間間隔及び周波数の双極性または単極性パルスに応答
するさまざまの特定サイズのいくつかのコイルは、頭部
の上下の特定の異なる位置に配置される。該コイルは、
異なる特定の位相パターン及び波形を有する電流により
励起され、その結果、同時に及び/又は連続的に作動す
るすべてのコイルによってターゲット神経細胞内に誘導
された電場は、減極するよう増分増加する。減極の際の
ターゲット神経細胞の増分増加は、頭部内のターゲット
以外の神経細胞が生じるものより大きい。ゆえに、ター
ゲット神経細胞だけが静的状態から動的励起状態に変化
する。この装置により、頭部表面及び内部の脳のあらゆ
る位置の神経細胞をターゲットにできる。

【００４２】図６は上記タイプの装置の他の実施例を示
したものであり、そこでは、各々のコイルが図８の形状
でかつ２つの直列に連結された螺旋コイルセグメントを
有する平坦パンケーキ形コイル96、98及び100が試料頭
部の上部または付近に設置される。最小直径のコイル10
0は頭部左側面付近に配置され、中間及び最大直径のコ
イル98及び96はそれぞれ頭部頂上及び右側面付近に配置
される。コイル96及び100の平面は頭部側面にほぼ平行
に鉛直方向に伸長し、一方コイル98の平面は頭部頂上に
ほぼ平行に水平方向に伸長する。コイル96、98及び100
のそれぞれは、２つのセグメントからの磁場がコイルの
中央かつコイル面に垂直にコイルの２つの螺旋の半分の
接合部を通って伸長する線に沿って付勢されるような周
知の方法で配置される。コイル96及び100の中央接合部9
7及び101は鉛直方向に直線上にあり、コイル96、98及び
100の平面に垂直に中央接合部97、99及び101を通って伸
長する線の交点の領域103にターゲット神経細胞が存在
する。

【００４３】コイル96、98及び100は異なる間隔の制御
シーケンスで付荷を与えられ及び付荷を解かれ、電流ソ
ース102、104及び106を含むネットワークにより異なる
振幅を有するACまたは単極性循環電流を供給される。ソ
ース102、104及び106は同一の周波数を有し、かつお互
いに同期し、各周期の正方向の傾きが負方向の傾きより
大きい（好適には２倍）ような非対称性電流を誘導す
る。それにより、各電流周期の正方向部分の間各コイル
から誘導される生成磁場は、負方向部分の間コイルから
誘導される電流より大きい。各電流周期の正方向部分の
間のより大きい磁場効果は、磁場に応答する神経細胞の
非線形メモリ性質により累積される。コイル96、98及び
100に流れる電流は、最小コイル100に供給される電流が
正のピーク値をとる時、中間コイル98に供給される電流
が最小値（単極性電流の場合はゼロ、AC電流の場合は負
の最大値）を有するように、位相を調節される。中間コ
イル98に供給される電流が正の値を有するとき、及びコ
イル100の電流が正のピーク値と最小値との間の半分の
値を有するとき、各電流が負方向の傾斜の２倍の正方向
傾斜を有することを仮定して、最大コイル96に供給され
る電流は最小値を有する。この好適位相関係は、最大コ
イル96からの磁場が静的状態にターゲット細胞を戻すた
めのコイル98及び100からの磁場の効果を、少なくとも
部分的に釣り合わせることを可能にする。

【００４４】これらの結果を達成するために、ソース10
2、104及び106は、可変遅延回路110、112及び114を並列
に作動するトリガーソース108により誘導されるパルス
に応答し同期される。回路110、112及び114の出力パル
スは、パルスソース116、118及び119が作動する時を制
御する。パルスソース116、118及び119は、コイル96、9
8及び100へ適正な位相及び時間間隔を有する電流を供給
することを電流ソース102、104及び106に対しそれぞれ
可能にするための異なる幅を有するパルスを誘導する。
神経細胞の非線形メモリ効果により、電流ソース102、1
04及び106はパルスソース116、118及び119により連続的
に付荷を与えられる。

【００４５】図７及び図８は本発明による他の実施例で
あり、そこでは、パンケーキ形コイル120、122及び124
が相互に平行面上に重ねられ試料頭上に設置され、中央
接合部121、123及び125がターゲット神経細胞を通って
伸長する線上に乗るように配置される。最小直径コイル
120は試料頭部に隣接し、一方中間直径のコイル122は最
大直径のコイル124とコイル120にサンドイッチされる。
コイル120、122及び124は、異なる間隔の制御シーケン
スで付荷を与えられ及び付荷を解かれ、異なる振幅及び
好適には非対称な位相を有するAC又は単極性循環電流を
図６に示されたタイプのネットワークにより供給され
る。

【００４６】すべての両面直列螺旋パンケーキ形コイル
（図８のコイルと呼ぶ）は、単極性または双極性電流が
前記図８コイルの両側の接合部領域で導線内を同一方向
に流れるように、方向付けられかつ付荷を与えられる。

【００４７】コイル120、122及び124のワイヤ内を流れ
る電流により生成される磁場は、電流が正の傾斜を有す
る時下方の神経細胞を減極するよう作動するよう与えら
れる。

【００４８】実施例において、コイル120の各螺旋側は
例えば2cmの直径を有し、特定の電流波形が付勢され
る。該波形は特定の周波数（例えば、80kHz）、ピーク
振幅（例えば、1600A）及び時間間隔（例えば、800μse
c）を有する。電流は中間サイズの２つの螺旋直列コイ
ル122の中を、両側の接合部領域123の導線内の方向が神
経細胞を減極する方向と一致する方向に流れる。コイル
122を流れる電流の方向は、下方の試料神経細胞の特定
の方向に依存する。

【００４９】電流はコイル122の中を特定の時間（例え
ば、コイル120内に電流が流れ始めたとき）に特定の時
間間隔（例えば、800μsec）だけ流れ始め、及び特定の
ピーク振幅（例えば、2800A）を有する。コイル122内の
電流は、細胞を作用するための最高の条件である延長さ
れた間隔の間、特定のピーク振幅のままで維持されるよ
うに変形される。すなわち熱の問題を避けるため、コイ
ル122内の電流は最初200μsecの間正傾斜方向にピーク
振幅まで増加し、さらに200μsecの間逆方向に最小値ま
で減少する。その後、電流は200μsecの間に再び正の最
大値まで増加する。最大ピーク値に達した後、電流は40
0μsecの間に最小値まで減少する。それによって、ター
ゲット神経細胞での過分極効果が最小化される。

【００５０】典型的に、コイル122の各螺旋半分は約6cm
の直径を有する。

【００５１】特定の直径及び巻数（例えば、２重螺旋の
両側で30cmと10回）を有する最大コイル124内の電流
は、中間サイズのコイル122内の電流と同様に接合部125
に流れる。コイル124内の電流は、正の傾斜を有すると
きターゲット神経細胞に減極効果をもたらす。さらに、
コイル124内の電流は、特定の周波数、時間間隔、ピー
ク振幅、波形及び相対時間を有し、例えばコイル124内
の電流の流れ始めが、最小コイル120に電流が流れ始め
てから200μsec後である。

【００５２】図７及び８の実施例において、最大コイル
124内の電流は神経細胞に減極を起こす方向へ立ち上が
り、最小及び中間コイル120及び122の両方の下方傾斜電
流による神経細胞への過分極効果を相殺するのに十分な
大きさを有する。図７において、ターゲット神経細胞上
のコイル120、122及び124の減極効果は、矢印126及び線
128、130及び132によりそれぞれ示された方向と場所を
有する磁場により与えられる。最小コイル120内の電流
が神経細胞の減極を起こす方向に流れているとき、最大
コイル124に流れる電流のみが、中間コイル122内の電流
による過分極効果を相殺する必要がある。従って、コイ
ル120及び122が反対方向に流れる間にコイル124内の電
流が増加する比率は、最小コイル120及び中間コイル122
の両方の電流が過分極を起こす方向に流れる時の比率よ
り小さい。

【００５３】コイル124を流れる電流は、コイル120及び
122の過分極効果を完全に相殺するのに必要な電流より
少ないか、等しいかまたは大きく、この明細書内に与え
られたものは可能な電流波形のほんの典型例にすぎない
ことを強調しておく。また、すべてのコイルのサイズ、
形状及び方向は、例えば図６に示されるようにあらゆる
所望の形態に変化する。

【００５４】最大コイル124に流れる電流の正方向への
傾斜が完了したのち、コイル124内の電流は、(1)そのま
ま維持されるか、(2)コイル120または122のいずれかの
負方向傾斜より小さな傾斜で徐々に減少するか、または
(3)他の特定の比率で増加する。特定の実施例におい
て、最大コイル124内の電流は、200μsec以内に正のピ
ーク振幅から正のピーク振幅と最小値（負のピーク、ゼ
ロまたは正の最小値）との中間値へ減少し、200μsec以
内に最小値からピーク振幅の3/4まで増加する。コイル1
24はコイル120または122のいずれかより非常に直径が大
きいため、コイル120または122のいずれよりも大きな電
流に耐えることができ、コイルの成分材料の完全性を破
壊すべき付随的力を吸収することもできる。最大コイル
124内の電流は、加熱及び熱による試料への影響を考慮
して制限される。

【００５５】コイル96、98及び100（図６）は、それぞ
れ図9、10及び11において、線132、134及び136により図
示されるような磁場を生成する。コイル96、98及び100
に対し神経細胞に減極を起こす磁場を生成する電流が供
給されると、場の方向は矢印138により示される。コイ
ル96、98及び100に付勢される合成電流波形の各周期の
間に、領域103において神経細胞の減極を導く効果を与
えるよう、磁場は連続化され、位相調節されかつ配置さ
れる。減極効果は、神経細胞が隣接する神経細胞を刺激
することなく刺激されるまで、これらの波形の多数の周
期上で累積される。類似の減極刺激のメカニズムは、コ
イル120、122及び124内に流れる循環電流に応答して、
これらのコイルの通常軸線に沿った神経細胞において、
図７及び8の実施例で生じる。

【００５６】発明は特定の実施例について説明され図示
されてきたが、請求の範囲に記載された発明の思想及び
態様から離れることなく、詳細な点の変更が可能である
ことは明白である。

【００５７】組織へ向けられたマイクロ波または超音波
エネルギーを利用するすべての実施例において、脳の内
部または表面上で選択的な集束を達成するためフェイズ
ドアレー(phased array)が使用される。

【００５８】他の実施例において、ACパルスにより付荷
された単一コイルは細胞を増分励起するのに使用され
る。

【００５９】他の実施例において、コイル下の脳内部の
ターゲット神経細胞が、付随的電気伝導度の増加及び減
少により、選択的に力学的に圧縮されかつ拡張されるよ
うに、超音波エネルギーが利用される。ターゲット神経
細胞及び脳表面からそこへ導く通路が、磁場の揺らぎの
正及び負の位相の間それぞれ圧縮され及び拡張されると
いうように、この作用は時間制御される。脳表面からの
伝導性のよい好適通路を作り出すことによって、脳表面
だけに刺激をもたらすような条件のもとで、超音波は脳
内部の刺激を容易に実行する。

【図面の簡単な説明】

【図１】双極性及び単極性励起電流によりそれぞれ作動
する第１及び第２コイルを採用する発明のひとつの実施
例の略示図である。

【図２】(a)及び(b)は、過分極単極性磁場及び減極単極
性磁場が細胞に付勢されるところの他の実施例のそれぞ
れ平面図、及び側面図である。

【図３】神経細胞を刺激するためのマイクロ波場と組み
合わされた単極性磁場を採用する発明の他の実施例の略
示図である。

【図４】マイクロ波場が神経細胞を刺激するための集束
超音波、圧縮波場と結合されるところの本発明の他の実
施例の略示図である。

【図５】図１に示された装置が、非対称な双極性磁場を
超音波バイブレータの作用するコイルにより刺激細胞に
付勢するべく修正されるところの本発明の他の実施例の
略示図である。

【図６】異なる時間中に異なるソースにより励起され、
かつ頭部の異なる部分に近接配置された、３つの異なる
図８形状のコイルを含む本発明の他の実施例の略示図で
ある。

【図７】通常の鉛直軸を有する３つにサンドイッチされ
た図８形状のコイルにより生じる磁力線の平面図であ
る。

【図８】通常の鉛直軸を有する３つにサンドイッチされ
た形状のコイルの平面図である。

【図９】頭上に図８形状のコイルを設置する図６に示さ
れた頭部の左側面及び磁力線を示した図である。

【図１０】図６に示す頭部の右側面および磁力線を示し
た図である。

【図１１】左側頭部に図８形状のコイルを設置する頭部
の平面図及び磁力線を示した図である。

【符号の説明】

１０コイル１２コイル１４頭部１６コイルの周縁１８コイルの周縁２０正弦波パルスソース２２パルスジェネレータ２４トリガーソース２６遅延回路２８パルスジェネレータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】偏極した静的状態から動的な減極状態、
すなわち細胞状態が静的状態の膜内外電位差と実質的に
異なる膜内外電位差を有する状態までの範囲の電位差を
有する神経細胞を刺激する方法であって、細胞を静的状態から変化させるべく該細胞に第１エネル
ギー場を付勢する段階から成り、その結果細胞の膜内外
電位差が前記状態と異なり、膜内外電位差が循環磁気成
分を含む場を細胞に付勢する前記状態と異なるとき、該
循環磁気成分は周波数及び振幅を有しかつ前記第１エネ
ルギー場からの効果と結合され、それで循環磁気成分の
各周期が静的状態から動的状態まで細胞を変化させずに
細胞の膜内外電位差の増分変化を生じさせ、細胞に付勢
される循環磁気成分は時間間隔及び振幅を有しかつ細胞
状態を静的状態から動的状態に変化させる増分変化の累
積を生じさせる前記第１エネルギー場からの効果と結合
される、ところの方法。
【請求項２】請求項１記載の方法であって、前記第１
エネルギー場は第１コイルに電流を付勢することで誘導
されるところの方法。
【請求項３】請求項２記載の方法であって、前記電流
は単極性パルスであるところの方法。
【請求項４】請求項３記載の方法であって、循環磁気
成分は第２コイルに循環電流を供給することで誘導され
るところの方法。
【請求項５】請求項３記載の方法であって、前記循環
磁気成分は、単極性パルス電流が第１コイルに付勢され
ている間に第２コイルへ循環電流を供給することにより
誘導されるところの方法。
【請求項６】請求項２記載の方法であって、前記電流
は連続パルスを含むところの方法。
【請求項７】請求項１記載の方法であって、前記循環
磁気成分はコイルに循環電流を供給することにより誘導
されるところの方法。
【請求項８】請求項７記載の方法であって、前記循環
電流は正弦波であるところの方法。
【請求項９】請求項７記載の方法であって、前記循環
電流は単極性循環パルスを含むところの方法。
【請求項１０】請求項１記載の方法であって、前記第
１エネルギー場は、第１コイルに単極性電流パルスの第
１シーケンスを付勢することにより誘導されるところの
方法。
【請求項１１】請求項１０記載の方法であって、前記
循環磁気成分は第２コイルに単極性電流パルスの第２シ
ーケンスを付勢することにより誘導されるところの方
法。
【請求項１２】請求項１記載の方法であって、前記第
１エネルギー場は刺激されるべき細胞のまわりの体積の
細胞に過分極磁場を付勢することにより誘導され、周辺
体積中の細胞が過分極されるとき循環磁気成分は刺激さ
れるべき細胞に付勢され、刺激細胞に隣接する過分極細
胞を励起状態にするには不十分な強度であるが刺激され
るべき細胞を励起するには十分な強度で他の細胞に付勢
されながら循環磁気成分は刺激細胞に付勢されるところ
の方法。
【請求項１３】請求項１２記載の方法であって、過分
極場は単極性電流を配置の違う複数の異なるコイルに同
時に付勢することによって誘導されるところの方法。
【請求項１４】請求項１記載の方法であって、第１エ
ネルギー場及び循環磁気成分は試料に近接する異なる位
置に複数の磁気コイルを配置することにより細胞へ付勢
され、異なるコイルには異なる時間特性を有する電流が
付勢され、電流は循環成分を含むコイルのひとつに付勢
され、磁場は細胞に結合している異なるコイルを励起す
る電流から生じ、少なくとも他のコイルのひとつからの
磁場が細胞膜内外電位差を前記両状態と異ならせるべく
静的状態から細胞を変化させ、循環成分は膜内外電位差
が前記両状態と異なるとき細胞に付勢され、細胞に付勢
される循環磁気成分は時間間隔及び振幅を有し、かつ他
の細胞を静的状態から動的状態へ変化させずに当該細胞
状態を静的状態から動的状態へ変化させるような増分変
化の累積をもたらすべく少なくとも他のコイルのひとつ
からの磁場の効果と結合される、ところの方法。
【請求項１５】請求項１記載の方法であって、第１エ
ネルギー場は、細胞膜内外電位差が静的状態から動的状
態の間に存在するように細胞を静的状態から変化させる
ところの方法。
【請求項１６】請求項１記載の方法であって、第１エ
ネルギー場は、細胞膜内外電位差が静的状態から動的状
態の間ではなく、動的状態より静的状態の近くに存在す
るように細胞を静的状態から変化させるところの方法。
【請求項１７】請求項２記載の方法であって、第１コ
イルに付勢される間、電流が傾斜するところの方法。
【請求項１８】請求項１３記載の方法であって、循環
磁気成分は、刺激細胞とほぼ一直線上にある細胞及び試
料表面付近の周縁を含む試料面に対し概して垂直の面に
置かれた平坦コイルへ電流を付勢することにより誘導さ
れるところの方法。
【請求項１９】請求項１３記載の方法であって、過分
極場を誘導するための複数の異なるコイルは第１及び第
２コイルから成り、さらに、第１及び第２コイルを循環
磁場を誘導するための第３のコイルの反対側に配置する
段階から成るところの方法。
【請求項２０】請求項１９記載の方法であって、循環
磁気成分は、刺激細胞とほぼ一直線上にある細胞及び試
料表面付近の周縁を含む試料面に対し概して垂直の面に
置かれた平坦コイルへ電流を付勢することにより誘導さ
れるところの方法。
【請求項２１】請求項１記載の方法であって、第１エ
ネルギー場及び循環磁気成分は、第１、第２及び第３コ
イルに電流を供給することにより誘導され、各々のコイ
ルはほぼ等しい面積と中点の両側にほぼ等しい巻数の直
列に接続された巻線を有する平坦な図８に示されたコイ
ルと同様の形状を有するところの方法。
【請求項２２】請求項２１記載の方法であって、さら
に、第１及び第２コイル面を概して平行に、かつ第３コ
イル面を第１及び第２コイル面に対し概して斜角面にな
るよう配置する段階から成るところの方法。
【請求項２３】請求項２２記載の方法であって、さら
に、第１、第２及び第３コイルの中点を、それらが細胞
を通過しかつ細胞で一致し異なる方向を有する第１、第
２及び第３の直線とそれぞれ一致するように配置する段
階とから成るところの方法。
【請求項２４】請求項２１記載の方法であって、さら
に、異なるインターバルでコイルに同期した電流を供給
する段階とから成る方法。
【請求項２５】請求項２４記載の方法であって、前記
インターバルが重なり合うところの方法。
【請求項２６】請求項２４記載の方法であって、前記
インターバルが連続であるところの方法。
【請求項２７】請求項２４記載の方法であって、前記
コイルのひとつに供給される電流の正方向セグメントは
負方向セグメントと異なる傾斜を有し、その結果前記コ
イルから誘導されかつ細胞に連結された磁場の振幅は、
小さい傾斜のセグメント間より大きい傾斜のセグメント
間の方が大きいところの方法。
【請求項２８】請求項２１または２７に記載の方法で
あって、第１、第２及び第３コイルは面積が次第に大き
くなり、第１、第２及び第３コイルに供給される電流
は、（１）第２コイルに供給される電流は、第１コイル
に供給される電流がピーク値を有するとき最小値を有
し、（２）第３コイルに供給される電流は、（ａ）第２
コイルに供給される電流がピーク値を有するとき、及び
（ｂ）第１コイルに供給される電流が最大値及び最小値
の間の約半分の値を有するとき、最小値を有する、よう
に位相調節される、ところの方法。
【請求項２９】請求項２１記載の方法であって、第
１、第２及び第３コイルは面積が次第に大きくなり、さ
らに、第１、第２及び第３コイルを、（ａ）それらの中
点が一直線上にあり、かつ細胞を通って伸長する直線上
に置かれ、（ｂ）コイルは相互に面平行に置かれ、
（ｃ）第１コイルは細胞に最も近接し、第３コイルは第
１及び第２コイルよりも細胞から離れ、第２コイルは第
１コイルと第３コイルの間にある、ように配置する段
階、から成るところの方法。
【請求項３０】請求項２９記載の方法であって、第
１、第２及び第３コイルは、（ａ）第３コイルを流れる
電流から生じる磁場は、細胞の減極と、第１及び第２コ
イル内を流れる電流から生じる磁場による過分極とを相
殺させ、（ｂ）第１コイル内の電流から生じる磁場は、
第２及び第３コイルを流れる電流から生じる磁場がお互
いに相殺しあう間に、細胞の減極を引き起こす、ように
位相調節され、及び振幅を有する、ところの方法。