Contribution of recurrent connections to the accuracy of binary classification problem in cultured neuronal circuits
| Project/Area Number |
20K19925
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
服部 晃平 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (90822057)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2021-03-31
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| Project Status |
Discontinued (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000)
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| Keywords | Neuron / Two Needle Electrodes / Selective Stimulation / LTspice / 培養神経回路 / Caイメージング / 細胞パターニング / リザバーコンピューティング |
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| Outline of Research at the Start |
培養神経細胞回路への刺激に対する時空間的な活動パターンの実測と理論的解析とを通して，回路に内在する帰還接続が，提示された刺激パターンに対する分類精度をどのようにして高めるのかに迫る。具体的には，①多細胞ネットワークにおいて帰還接続が活動パターンに与える影響をシミュレーションによって解析・予測したうえで，②帰還接続数を制御した培養神経細胞回路の活動パターンの発生機序を解析する。本研究により，脳内に普遍的に存在する帰還構造の，脳情報処理における機能性に迫ることが期待される。
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| Outline of Annual Research Achievements |
培養神経細胞回路への刺激に対する時空間的な活動パターンの実測と理論的解析を通して，ネットワーク中のリカレント接続が，提示された2クラス分類問題への判定精度をどのようにして高めるのかに迫る。具体的には，(1) 神経ネットワークへの任意の時空間刺激パターンの提示に向けて，マイクロパターン上の標的ニューロンに対する神経刺激の方法論を構築する第一段階と，(2) 培養神経回路を用いたリザバコンピューティングによる情報処理能力の評価を行う第二段階とからなる。
2020年度には，二本針電極を用いた神経細胞刺激手法の刺激選択性の調査を行い，第一段階の目標達成を試みた。具体的には，マイクロパターン上に構築した，リカレント接続（オータプス）を有する単一神経細胞回路の周辺に二本針電極を配置し，電気刺激を与えた。電極特性および刺激パターンが標準細胞に与える影響が実験と理論の両面から調査された。結果，二本針電極は，標的細胞に電極を近接させたうえで約5Vp-p以上の双極方形波パルスを印加することで，標的細胞を再現性良く発火させることができ，少なくとも300 µmの空間分解能を有することが実験的に明らかになった。刺激提示後の標的ニューロンの自発発火頻度が上昇する傾向もみられ，電気刺激によって標的ニューロンの内部状態が可塑的に変化している可能性が確認できた。なお，電極先端部の金属露出部の実効面積が刺激の強度や選択性に影響する傾向も得られたが，定量的評価に関しては2021年度以降へと持ち越すこととした。一方，LTspiceを用いた理論解析により，電極先端部の電気二重層容量が刺激強度に強く影響すること，二本針をともに標的ニューロンに近接配置することで理論的には15 µmの空間分解能を達成できることが明らかになった。
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Report
(1 results)
Research Products
(10 results)
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[Presentation] Extracellular Stimulation of a Target Neuron in Micro-Patterned Neuronal Circuits Using a Pair of Needle Electrodes2020
Author(s)
K. Hattori, H. Kurakake, J. Imai, T. Hashimoto, M. Ishida, K. Sato, H. Takahashi, S. Oguma, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
Organizer
ECS PRiME 2020
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[Presentation] Stimulation of micropatterned neurons with a pair of needles electrodes and the activity measurement2020
Author(s)
J. Imai, H. Kurakake, T. Hashimoto, K. Hattori, K. Sato, H. Takahashi, S. Oguma, M. Ishida, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
Organizer
The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
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[Presentation] 2針電極を用いた神経細胞刺激の応答計測とその理論解析2020
Author(s)
服部晃平, 石田実穂子, 鞍掛碧流, 今井絢子, 橋本拓弥, 佐藤晃揮, 髙橋穂乃歌, 小熊奏一郎, 山本英明, 平野愛弓, 谷井孝至
Organizer
第67回応用物理学会春季学術講演会
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[Presentation] マイクロパターン上の神経細胞への 2 針電極による刺激とその応答計測2020
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鞍掛碧流, 服部晃平, 今井絢子, 橋本拓弥, 佐藤晃揮, 髙橋 穂乃歌, 小熊奏一郎, 石田実穂子, 山本英明, 平野愛弓, 谷井孝至
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第67回応用物理学会春季学術講演会
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