Development and application of X-ray optogenetics of low dose and low invasiveness

• Project/Area Number: 20K22680
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0704:Neuroscience, brain sciences, and related fields
• Research Institution: Fujita Health University (2021); Nagoya University (2020)
• Principal Investigator: Matsubara Takanori 藤田医科大学, 医学部, 助教 (50884475)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 光遺伝学 / X線 / シンチレータ / ドーパミン神経 / ドパミン神経 / シンチレータマイクロ粒子 / ChRmine / ドーパミン

Outline of Research at the Start

「光遺伝学」は、光感受性タンパク質（オプシン）分子を特定細胞に発現させ、光照射により細胞機能変化を誘導する技術である。しかしながら、可視光領域の刺激光を用いるため、その組織透過性が低く、脳深部組織への適用が困難である。この問題を克服するため、我々は生体透過性が極めて高いX線とX線を可視光へと変換するシンチレータ（Ce:GAGG）を用いた新規な光操作法を開発した。本手法の現時点での問題点は、実験動物に対する組織侵襲と被爆放射線量の大きさである。そこで、本研究では、Ce:GAGG粒子や高光感受性オプシンを用いて極めて低侵襲・低線量な遠隔的神経活動操作法を世界に先駆けて確立する。

Outline of Final Research Achievements

We developed deep brain wireless and fiberless optogenetic tools using X-rays with high biological permeability and a scintillator (Ce: GAGG) that can convert X-rays to visible light (Matsubara et al., Nat. Communi. 2021). By injecting scintillators around opsin-expressing neurons, we have succeeded in inducing neural activity and neuron-specific behavior by X-irradiation. Using highly light-sensitive opsins, particle scintillators, and pulsed X-ray irradiation, we reduced the invasiveness to brain tissue and the radiation dose of X-rays. This tool is expected to be useful for various basic research and clinical treatments.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

光遺伝学は、光感受性タンパク質を特定の細胞に発現させ、可視光を用いて神経活動を自由に操作できる方法である。しかしながら、可視光の生体透過性は極めて低いため、目的部位が深部の場合は光ファイバーを脳内に挿入する必要があり、脳組織の侵襲や行動制限を伴う。生体透過性が極めて高いX線を用いることで、それらの問題点を解決することができる。また、X線の特性から大型の実験動物や鳥類、霊長類にも応用可能である。従って、この技術は制限のない状態で動物の行動観察や神経活動操作を可能にし、神経科学の研究を広く進展させることができる。

Research Products

• [Journal Article] Remote control of neural function by X-ray-induced scintillation (2021)
  • Author(s): Matsubara Takanori、Yanagida Takayuki、Kawaguchi Noriaki、Nakano Takashi、Yoshimoto Junichiro、Sezaki Maiko、Takizawa Hitoshi、Tsunoda Satoshi P.、Horigane Shin-ichiro、Ueda Shuhei、Takemoto-Kimura Sayaka、Kandori Hideki、Yamanaka Akihiro、Yamashita Takayuki
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 12 Issue: 1 Pages: 4478-4478
  • DOI: 10.1038/s41467-021-24717-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Remote control of neural function by X-ray-induced scintillation (2020)
  • Author(s): Matsubara Takanori、Yanagida Takayuki、Kawaguchi Noriaki、Nakano Takashi、Yoshimoto Junichiro、Sezaki Maiko、Takizawa Hitoshi、Tsunoda Satoshi P.、Horigane Shin-ichiro、Ueda Shuhei、Takemoto-Kimura Sayaka、Kandori Hideki、Yamanaka Akihiro、Yamashita Takayuki
  • Journal Title: bioRxiv Volume: - Pages: 1-31
  • DOI: 10.1101/798702
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Safe application of X-ray-mediated optogenetics (2021)
  • Author(s): Takanori Matsubara, Takayuki Yanagida, Noriaki Kawaguchi, Takashi Nakano, Maiko Sezaki, Hitoshi Takizawa, Takayuki Yamashita
  • Organizer: 第44回日本神経科学大会 CJK第1回国際会議
• [Presentation] シンチレータ・マイクロ粒子を用いた遠隔的神経機能操作法の開発 (2020)
  • Author(s): 松原崇紀, 柳田健之, 河口範明, 中野高志, 瀬崎真衣子, 滝澤仁, 山中章弘, 山下貴之
  • Organizer: 第67回 中部日本生理学会