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Epileptic activity through excitatory/inhibitory imbalance observed in neuronal networks cultured on micro-electrode arrays

Research Project

Project/Area Number 19H04437
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 90110:Biomedical engineering-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

Jimbo Yasuhiko  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20372401)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 榛葉 健太  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80792655)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2019: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
Keywords脳神経 / 細胞・組織 / 神経工学 / 微小電極アレイ / 脳・神経 / 脳神経疾患 / シグナル伝達 / ナノバイオ
Outline of Research at the Start

生涯に一度はてんかん発作を発症する割合は世界人口の1 %,そのうち1/3が難治性に移行するとされている.現行の抗てんかん薬開発は,発生した発作の抑制を目指しており,最初の発作が発生することを防ぐ視点からの研究はほとんど行われていない.本研究では「興奮性/抑制性の不均衡が生じることがてんかん発作を生じる本質である」という考え方に基づき,興奮性/抑制性バランスを人為的に制御した神経回路をin vitro系に構成し,てんかん発作を生じる臨界条件の解明を目指す.てんかん発作につながる本質的な要素を神経回路,神経細胞,シナプス,受容体それぞれのレベルで明らかにすることを目的とする.

Outline of Final Research Achievements

Focusing on the excitatory/inhibitory (E/I) balance of neuronal circuits, which is considered to be the "final common path" in the process of epileptic seizure generation, we constructed cultured neuronal networks with artificially controlled E/I balance and recorded electrical activity using micro-electrode array (MEA) substrates. Pharmacological manipulation (administration of agonists and antagonists to the SHH pathway) during the differentiation of mouse iPS cells into cortical cells enabled control of the ratio of excitatory cells in the range of 50-80%, and E/I balance-dependent changes in synchronized burst activity characteristics were observed. The experimental results suggest that activity-dependent plasticity as well as homeostatic plasticity may be involved in the regulation of synaptic strength, which affects the network-activity properties.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

EIバランスと神経回路活動の関係は,興奮性/抑制性シナプス結合の数とその強度によって制御されるが,電気刺激等人工的な手法で誘起されるシナプス活動と本来の感覚入力に対して活性化されるシナプスは異なる,興奮性シナプス,抑制性シナプス,そのサブタイプそれぞれにおいて可塑性のメカニズムが異なるなど関係する要素は多岐にわたる.本研究では恒常性を維持する可塑性の関与を示唆する結果が得られた.今後は,シナプス-ニューロン-神経回路という階層構造各段階における制御機構,その背景となる可塑性の作用を統合した研究の遂行により,てんかん発作を生じるメカニズム解明に向けた知見が得られることが期待できる.

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2022 2021 2020 2019

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] bserving Cell Assemblies From Spike Train Recordings Based on the Biological Basis of Synaptic Connectivity2022

    • Author(s)
      Asahina T., Shimba K., Kotani K., Jimbo Y.
    • Journal Title

      IEEE Trans. BME

      Volume: 69 Issue: 4 Pages: 1524-1532

    • DOI

      10.1109/tbme.2021.3123958

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 高密度電極アレイを用いた培養神経回路網における時間符号化メカニズムの検討2022

    • Author(s)
      古川拓磨, 張智翔, 朝比奈昂洋, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
    • Organizer
      電気学会医用・生体工学研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Development and time interval learning of hippocampal-cortical co-culture model in vitro2021

    • Author(s)
      Chang C. H., Shimba K., Asahina T., Kotani K., Jimbo Y.
    • Organizer
      Neuroscience 2021, SfN 50th Annual meeting
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高密度電極アレイによる恒常的可塑性評価の試み2021

    • Author(s)
      古川拓磨,榛葉健太,朝比奈昂洋,小谷潔,神保泰彦
    • Organizer
      2021年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Spontaneous Network Activity differs by Excitation-Inhibition Ratio Using Induced Pluripotent Stem Cells Derived Cortical Neurons2021

    • Author(s)
      Chen S., Shimba K., Chang C. H., Kotani K., Jimbo Y.
    • Organizer
      電気学会 医用・生体工学研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 培養神経回路網における発火の共起性に基づく神経細胞のクラスタリング2021

    • Author(s)
      古川,榛葉,朝比奈,小谷,神保
    • Organizer
      電気学会 医用・生体工学研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 神経幹細胞追加播種による成熟神経回路網の電気活動変化の解析2020

    • Author(s)
      森谷,榛葉,小谷,神保
    • Organizer
      第19回日本再生医療学会総会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Disrupted Pattern Separation of Neuronal Network by Increasing the Number of Newborn Neurons Excessively2020

    • Author(s)
      Moriya F., Shimba K., Kotani K., Jimbo Y.
    • Organizer
      EMBC2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Change in Evoked Response of Mature Neuronal Network to Spatial Pattern Stimulation by Immature Neurons2019

    • Author(s)
      Moriya F., Shimba K., Kotani K., Jimbo Y.
    • Organizer
      EMBC2019
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 微小電極アレイを用いた軸索伝導計測による神経細胞の機能評価2019

    • Author(s)
      榛葉,朝比奈,酒井,小谷,神保
    • Organizer
      電気学会電子情報システム部門大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 未熟神経細胞の海馬培養神経回路網への介入が電気刺激による訓練効果に与える変化2019

    • Author(s)
      森谷,榛葉,小谷,神保
    • Organizer
      電気学会電子情報システム部門大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] マイクロデバイスによる神経細胞の軸索に発現したNaチャネルの機能評価2019

    • Author(s)
      榛葉,酒井,小谷,神保
    • Organizer
      第58回日本生体医工学会大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2023-01-30  

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