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Multiplane two-photon holographic imaging and stimulation system

Research Project

Project/Area Number 20K15193
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
Research InstitutionKobe University

Principal Investigator

QUAN XIANGYU  神戸大学, システム情報学研究科, 助教 (40814778)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥130,000 (Direct Cost: ¥100,000、Indirect Cost: ¥30,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Keywords光学顕微鏡 / デジタルホログラフィ / 2光子顕微鏡 / デジタルホログラフィー / 体積型ホログラム / ホログラフィック3次元光刺激 / 高速3次元蛍光計測
Outline of Research at the Start

現在高度な脳機能を解明する研究が盛んに行われています。その研究の一環として、光遺伝学と言う新しい学問が生まれました。この技術は特殊な遺伝子組み替え処理をした脳細胞に直接光を当てることによって、神経細胞を興奮させたり、抑制する事が出来ます。私の研究では狙った細胞だけに光を当てるホログラフィック光制御技術を用いて、神経細胞郡の中で特定の神経ネットワークを形成することができます。また、光刺激をの最中、後の反応を高速に3次元計測する多平面同時計測方法も提案しています。3次元高速刺激とイメージング技術を組み合わせて、今まで解明できなかった複雑な脳の働きを一層明らかにする事を期待しています。

Outline of Final Research Achievements

Two-photon microscopy is widely used in in-vivo imaging, due to its deep penetration depth. However, it is also problematic that the imaging volumn and accquisition speed have trade-off relationship. It is difficult to image large volume of nerve cells with high speed.
In this study, we proposed holographic method to realize multi-plane excitations and simultaneous recordings. In live mouse brain, we imaged 30 nerve cells with speed of 100 frames per second. Those excitation points are selected across 500μm x 500μm x 300μm volumn underneath brain surface. This result is published academic journal(D. Kato, X. Quan et al., Jove, 2022).

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究成果は光遺伝学の発展とともに高次脳機能の働きを解明・治療する研究に強力なツールを提供する。提案手法では、光を使った神経細胞の制御、およびその反応をリアルタイムで計測可能とする。この研究成果は今まで行われたシングルセル解析と脳全体としての機能解析の空白を埋めることになり、さらなる神経科学の発見を促進するものと見られる。
また、社会的には課題となる高齢化、認知症、精神疾患などを新たなツールを用いて接近することができ、QoLの高い長寿社会を実現することを目指す。

Report

(4 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2022 2021

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Evaluation and Manipulation of Neural Activity using Two-Photon Holographic Microscopy2022

    • Author(s)
      Kato Daisuke、Quan Xiangyu、Tanisumi Yuta、Guo Zhongtian、Morita Mitsuhiro、Takiguchi Tetsuya、Matoba Osamu、Wake Hiroaki
    • Journal Title

      Journal of Visualized Experiments

      Volume: 187 Issue: 187 Pages: 1-15

    • DOI

      10.3791/64205

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Holographic microscope and its biological application.2021

    • Author(s)
      Quan X, Kato D, Daria V, Matoba O, Wake H.
    • Journal Title

      Neurosci Res

      Volume: - Pages: 1-1

    • DOI

      10.1016/j.neures.2021.10.012

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Multimodal microscopy: Fast acquisition of quantitative phase and fluorescence imaging in 3D space2021

    • Author(s)
      Xiangyu Quan, Manoj Kumar, Sudheesh K Rajput, Yosuke Tamada, Yasuhiro Awatsuji, Osamu Matoba
    • Journal Title

      IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics

      Volume: 27 Issue: 4 Pages: 6800911-6800911

    • DOI

      10.1109/jstqe.2020.3038403

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Multi-plane two-photon imaging from selective excitations2022

    • Author(s)
      Xiangyu Quan
    • Organizer
      BISC 2022 Biomedical Imaging and Sensing Conference
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Two-photon imaging through scattering media2022

    • Author(s)
      Xiangyu Quan
    • Organizer
      The 12th Korea-Japan Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP2022)
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Multiplane Two-photon Imaging using Diffractive Optical Elements2022

    • Author(s)
      Xiangyu Quan, Osamu Matoba
    • Organizer
      第83回応用物理学会秋期学術講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 2光子顕微鏡を使ったホログラフィック光照明システムに関する研究2022

    • Author(s)
      全 香玉
    • Organizer
      一般社団法人レーザー学会学術講演会第42回年次大会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] An alternative method to control and monitor neural activity in 2 photon imaging2021

    • Author(s)
      Xiangyu Quan
    • Organizer
      第82回 応用物理学会秋季学術講演会 JSAP-OSA Joint Symposia
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] デジタルホログラフィーを用いたマルチモーダルイメージングと光刺激システム2021

    • Author(s)
      全 香玉
    • Organizer
      第15回物性科学領域横断研究会 (領域合同研究会)
    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-01-30  

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