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ナノ加工表面に構築した細胞神経回路の活動計測と数値計算を組合せた機能解析法の確立

Research Project

Project/Area Number 15J07429
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Nanobioscience
Research InstitutionWaseda University

Principal Investigator

河野 翔  早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2015-04-24 – 2018-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2015: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Keywordsナノテクノロジー / マイクロ加工 / 液中パターニング / 光触媒 / 神経科学 / 神経細胞 / マイクロパターニング / 表面改質 / 数値計算 / 数理モデル / ナノバイオテクノロジー / 神経回路 / 自己組織化有機単分子膜 / 細胞パターニング
Outline of Annual Research Achievements

脳は約1000億個の神経細胞がお互いに複雑なネットワークを構築し、細胞間の電気的相互作用により機能発現する情報処理システムである。本課題では、ナノ/マイクロ加工を基盤技術とし、任意の位置に神経細胞を配置・接続して生きた神経細胞をパターニングした細胞神経回路を構築し、活動計測することで神経回路の構造と活動の関係を明らかにすることを目的としている。当該年度においては、1) 可視光応答性酸化チタンを用いた表面改質と細胞の液中パターニング、2) 数値計算を用いた単一神経細胞回路の活動シミュレーションを実施した。1)では細胞へのダメージ軽減を目的とした液中細胞パターニング法を開発した。石英基板上に酸素欠損を含んだルチル型酸化チタンを蒸着したところ、この基板が可視光応答性を発現した。この基板上に細胞接着阻害有機膜を成膜し、細胞接着分子であるコラーゲンを添加した生理食塩水中で基板の局部に青色光を照射すると、光照射領域の有機膜が選択的に分解し、そこにコラーゲンが選択的に吸着し、細胞接着を促進した。予め局所的にラット副腎髄質褐色細胞腫を培養しておき、この細胞に隣接して青色光を照射すると、細胞はダメージを受けるなく、光照射領域に伸展した。この技術を神経細胞に適用すれば、自由自在に神経回路を構築することが可能になる。2)では神経細胞回路の活動のモデル化を目的として、数値計算を用いた単一神経細胞の活動シミュレーションを実施した。ホジキンハクスレーモデルとハインドマーシュローズモデルを用い、自身へのフィートバック構造を有する神経細胞回路を計算機上に構築し、活動を計算した。ナノ加工表面に構築した細胞神経回路の活動と比較すると、両者に違いが見られた。これは数理モデルにおいて、実神経細胞に存在するパラメータが欠落していることを示唆している。このパラメータを抽出することで、脳の計算処理様式が解明可能になる。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2018 2017 2016 2015

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (14 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results)

  • [Journal Article] In situ modification of cell-culture scaffolds by photocatalysis of visible-light-responsive TiO2 film2018

    • Author(s)
      Sho Kono, Kohei Furusawa, Atsushi Kurotobi, Kohei Hattori, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
    • Journal Title

      Japanese Journal of Applied Physics

      Volume: 57 Issue: 2 Pages: 027001-027001

    • DOI

      10.7567/jjap.57.027001

    • NAID

      130005974822

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Control of the Correlation of Spontaneous Neuron Activity in Biological and Noise-activated CMOS Artificial Neural Microcircuits2017

    • Author(s)
      RM. Hasani, G. Ferrari, H. Yamamoto, S. Kono, K. Ishihara, S. Fujimori, T. Tanii, E. Prati
    • Journal Title

      arXiv

      Volume: arXiv:1702.07426v1 Pages: 1-37

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Live-cell, label-free identification of GABAergic and non-GABAergic neurons in primary cortical cultures using micropatterned surface2016

    • Author(s)
      Sho Kono, Hideaki Yamamoto, Takatoshi Kushida, Ayumi Hirano-Iwata, Michio Niwano and Takashi Tanii
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 11 Issue: 8 Pages: e0160987-e0160987

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0160987

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Surface Modification of Cell Scaffold in Aqueous Solution Using TiO<sub>2 </sub>Photocatalysis and Linker Protein L2 for Patterning Primary Neurons<i><sup> </sup></i>2015

    • Author(s)
      K.Sekine, H.Yamamoto, S.Kono, T.Ikeda, A.Kuroda, T.Tanii
    • Journal Title

      e-Journal of Surface Science and Nanotechnology

      Volume: 13 Issue: 0 Pages: 213-218

    • DOI

      10.1380/ejssnt.2015.213

    • NAID

      130005068495

    • ISSN
      1348-0391
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Photopatterning Proteins and Cells in Aqueous Environment using TiO2 Photocatalysis2015

    • Author(s)
      H.Yamamoto, T.Demura, K.Sekine, S.Kono, M.Niwano, A.Hirano-Iwata, T.Tanii
    • Journal Title

      Journal of Visualized Experiments

      Volume: 104 Issue: 104

    • DOI

      10.3791/53045

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] An experimental and computational study on spontaneous firing pattern of a single neuron2018

    • Author(s)
      Kouhei Hattori, Sho Kono, Tomoya Yoneyama, Akira Nakanishi, Hideaki Yamamoto and Takashi Tanii
    • Organizer
      The 6th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 可視光応答酸化チタン薄膜の光触媒能を利用した細胞の液中パターニング2017

    • Author(s)
      古澤昂平, 河野翔, 藤城翔偉, 山本 英明, 谷井孝至
    • Organizer
      第64回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      パシフィコ横浜
    • Year and Date
      2017-03-14
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] In situ modification of cell-culture scaffolds by photocatalysis of visible-light-responsible TiO2 film2017

    • Author(s)
      S. Kono, K. Furusawa, S. Fujishiro, H. Yamamoto, T. Tanii
    • Organizer
      5th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Place of Presentation
      東北大学電気通信研究所(宮城県)
    • Year and Date
      2017-02-27
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A computational study on spontaneous activity of a single neuron2017

    • Author(s)
      K. Hattori, S. Kono, H. Yamamoto, T. Tanii
    • Organizer
      The 5th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Place of Presentation
      東北大学電気通信研究所(宮城県)
    • Year and Date
      2017-02-27
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 可視光応答酸化チタンの光触媒作用を活用した液中表面改質と細胞パターニング2017

    • Author(s)
      河野翔、黒飛敦 、服部晃平、山本英明、平野愛弓、谷井孝至
    • Organizer
      第37 回表面科学学術講演会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 可視光応答酸化チタン薄膜の光触媒能を利用した細胞の液中パターニング (II)2017

    • Author(s)
      河野翔、黒飛敦 、服部晃平、山本英明、谷井孝至
    • Organizer
      第78 回応用物理学会秋季学術講演会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] An experimental and computational study on spontaneous firing pattern of a single neuron2017

    • Author(s)
      Kouhei Hattori, Sho Kono, Tomoya Yoneyama, Akira Nakanishi, Hideaki Yamamoto and Takashi Tanii
    • Organizer
      第27 回日本神経回路学会全国大会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] 有機単分子膜パターンにより細胞間接続を制御した2細胞神経回路の構築と解析2016

    • Author(s)
      河野翔,藤森壮也,山本英明,谷井孝至
    • Organizer
      第77 回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟県)
    • Year and Date
      2016-09-13
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] マイクロパターン表面を用いた培養神経回路の構造-機能制御2016

    • Author(s)
      山本英明,石原広識,河野翔,千田雄大,松村亮佑,平野愛弓,久保田繁,谷井孝至,庭野道夫
    • Organizer
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス
    • Year and Date
      2016-03-19
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザ走査光触媒リソグラフィを活用した液中細胞パターニング2016

    • Author(s)
      藤城翔偉、関根浩平、河野翔、池田丈、黒田章夫、山本英明、谷井孝至
    • Organizer
      第63回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      東京工業大学大岡山キャンパス
    • Year and Date
      2016-03-19
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Live-cell identification of excitatory-inhibitory cell types of cultured cortical neurons focusing on specific axon growth length on micropatterns2016

    • Author(s)
      S. Kono, T. Kushida, H. Yamamoto, T. Tanii
    • Organizer
      The 4th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Place of Presentation
      東北大学片平キャンパス
    • Year and Date
      2016-02-23
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Laser-Scanning Photocatalytic Lithography of Organosilane Monolayers for Fabrication of Artificial Neuronal Circuits2015

    • Author(s)
      K. Sekine, H. Yamamoto, S. Kono, S. Fujishiro, T. Ikeda, A. Kuroda and T. Tanii
    • Organizer
      28th International Microprocesses and Nanotechnology Conference
    • Place of Presentation
      富山国際会議場
    • Year and Date
      2015-11-10
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マイクロパターン上での培養による興奮性-抑制性神経細胞の非標識判別II2015

    • Author(s)
      河野翔, 櫛田昂歳, 山本英明, 谷井孝至
    • Organizer
      第76回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場
    • Year and Date
      2015-09-13
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Live-cell, label free identification of excitatory-inhibitory neurons on micropatterned surfaces2015

    • Author(s)
      S. Kono, T. Kushida, H. Yamamoto, T. Tanii
    • Organizer
      Eighth International Conference on Molecular Electronics and Bioelectronics
    • Place of Presentation
      タワーホール船堀
    • Year and Date
      2015-06-22
    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2015-11-26   Modified: 2024-03-26  

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