| Project/Area Number |
22K19261
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 43:Biology at molecular to cellular levels, and related fields
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
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| Keywords | 光遺伝学 / ホログラフィ / 高速イメージング / 3Dイメージング / 機械学習 / 蛍光顕微鏡 |
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| Outline of Research at the Start |
線虫やゼブラフィッシュなどの比較的単純な神経ネットワークを持つモデル生物に対して任意のパターンで光操作と神経活動の測定を同時かつ大規模に行い、入力（刺激）と出力（神経活動）の関係を人工知能により解析する、新しい方法論を創出する。これにより、従来の数理モデル等によるボトムアップ型アプローチとは異なるデータ駆動型の研究アプローチを確立し、従来のアプローチでは困難であった神経系の本質的機能の発見を目指す。
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| Outline of Final Research Achievements |
We have developed basic technologies for arbitrary light manipulation pattern stimulation and neural activity recording in the C. elegans cranial nervous system. Specifically, we detected a group of neurons in the head of C. elegans using our original high-speed light-sheet microscope, constructed a system to selectively manipulate specific groups of neurons using holography technology, and developed a program to calculate the position and neural activity of each neuron in real time based on the results of high-speed 3D imaging. The results of these studies were used to develop a system to selectively manipulate specific groups of neurons using holographic technology. The system is expected to enable optical manipulation and recording of neuronal activity of a single neuron in freely behaving C. elegans. Using the data obtained by the developed technology, it is expected to be possible to construct a more accurate model of the nervous system than before.
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
本研究は、脳神経系のはたらきを理解するという自然科学の一つの究極的な目標に対して、光操作と光観察を組み合わせた新たな方法論の開拓により迫るものであり、高い学術的意義を有する。実際、線虫の比較的単純な脳神経系に対してすら、神経活動の記録および操作技術が未熟であるがゆえに、神経ネットワークの動作原理は不明のままである。本研究において、観察及び操作にかかわる光学技術およびそれらに伴う画像処理などの情報技術を開拓することで、神経系の動作機序解明のための新たなアプローチとなりうることがわかり、神経科学、光学、情報科学の分野をまたいだ学術的価値を創造したといえる。
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