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Contribution of recurrent connections to the accuracy of binary classification problem in cultured neuronal circuits

Research Project

Project/Area Number 20K19925
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 62010:Life, health and medical informatics-related
Research InstitutionWaseda University

Principal Investigator

服部 晃平  早稲田大学, 理工学術院, 助手 (90822057)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2021-03-31
Project Status Discontinued (Fiscal Year 2020)
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)
KeywordsNeuron / 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
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。

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。

Report

(1 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2021 2020

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] Selective Stimulation of a Target Neuron in Micropatterned Neuronal Circuits Using a Pair of Needle Electrodes2021

    • Author(s)
      Hattori Kouhei、Kurakake Hekiru、Imai Junko、Hashimoto Takuya、Ishida Mihoko、Sato Koki、Takahashi Honoka、Oguma Soichiro、Yamamoto Hideaki、Hirano-Iwata Ayumi、Tanii Takashi
    • Journal Title

      Electrochemistry

      Volume: 89 Issue: 4 Pages: 348-354

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.21-00032

    • NAID

      130008062336

    • ISSN
      1344-3542, 2186-2451
    • Year and Date
      2021-07-05
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Extracellular Stimulation of a Target Neuron in a Micropatterned Neuronal Circuit Using a Pair of Needle Electrodes2020

    • Author(s)
      K. Hattori, M. Ishida, H. Takahashi, S. Oguma, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
    • Organizer
      The 9th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [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
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An experimental study on the spontaneous firing of single isolated neurons in autaptic culture using micropatterned substrates2020

    • Author(s)
      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
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [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
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マイクロパターン上の神経細胞回路中の標的ニューロンへの二本針電極を用いた選択的刺激2020

    • Author(s)
      小熊奏一郎,服部晃平,鞍掛碧流,今井絢子,山本英明,平野愛弓,谷井孝至
    • Organizer
      第68回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] オータプス伝搬遅延によるSTDPシナプスの淘汰: 孤立した単一神経細胞に関する数理モデル化2020

    • Author(s)
      石田実穂子, 中西彬, 服部晃平, 山本英明, 平野愛弓, 谷井孝至
    • Organizer
      第30回日本神経回路学会全国大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [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
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [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

    • Author(s)
      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
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] マイクロパターン基板表面で培養した単一神経細胞の自発活動2020

    • Author(s)
      服部晃平, 石田実穂子, 髙橋穂乃歌, 佐藤晃揮, 中西彬, 小熊奏一郎, 早川岳志, 山本英明, 平野愛弓, 谷井孝至
    • Organizer
      学際・国際的高度人材育成ライフイノベーションマテリアル創製共同研究プロジェクト(6大学連携プロジェクト)第4回公開討論会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2021-12-27  

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