Wireless CMOS device for observing real-time brain activity and animal behavior

Research Project

Project/Area Number	23K06786
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 51010:Basic brain sciences-related
Research Institution	Chitose Institute of Science and Technology
Principal Investigator	春田牧人公立千歳科学技術大学, 理工学部, 准教授 (40733663)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	倉内祐樹熊本大学, 大学院生命科学研究部(薬), 准教授 (70631638)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2026: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2025: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	CMOSイメージセンサー / 脳機能イメージング / 脳血流計測 / 蛍光イメージング / 自由行動実験 / 無線通信 / 長期間計測 / CMOSイメージセンサ / 脳神経活動 / 脳血流 / 行動 / 無線
Outline of Research at the Start	片頭痛や脳梗塞等の脳血管疾患におけるメカニズム解明には，自由行動下で脳血流および脳神経活動を同時に計測できる手法が必要である．脳血流と神経活動は密接に関係している事が知られている．現在，小型動物を用いた脳機能計測実験では，小型光学顕微鏡を用いた脳血流と脳活動の同時計測手法が先行研究で行われている(B. B. Scott et al., Neuron, 2018). しかし，このデバイスはラットを対象とした実験用に開発されており，マウスの実験で使用するにはデバイスのサイズが大きく難しい．本提案ではマウスによる脳機能計測実験が可能な無線小型デバイスを開発する．
Outline of Annual Research Achievements	脳神経科学研究において、行動実験中の動物の脳活動を計測することは重要とされているため、本研究では小型脳機能計測デバイスによる行動実験中の脳機能計測技術の確立を目指す。さらに脳内において血流と神経活動は密接な関係を持つとされているため、本研究で開発するデバイスでは脳血流と脳神経活動の同時計測を実現可能なイメージングデバイスの開発を行う。行動実験中の脳機能計測技術の開発では、行動実験中の小型動物に使用可能なイメージングデバイスを試作し、取得したデータを無線送信可能なシステムの開発を行っている。無線システムの開発では、まず培養細胞等を用いた検証実験を行い生体計測が可能なデバイスであることを実証する。そのため、脳機能計測デバイスと同様の構造を持ち培養細胞の計測が可能な試作デバイスを試作する。本研究で開発するイメージングデバイスは、CMOSイメージセンサと光伝送素子を基本構造とし、コンタクトイメージング法により高解像度かつ広範囲の画像取得を可能にする。脳血流と脳神経活動の同時計測を実現可能なイメージングデバイスの開発では、血流とGFP蛍光の同時計測を目指し、独自設計のCMOSイメージセンサと血流観察用LED(波長535nm)、蛍光励起用LED(波長465nm)と励起光カット用ロングパスフィルタ(500nm Cut-On)を搭載した超小型脳機能イメージングデバイスを実現する。本デバイスを用いた脳血流と脳神経活動と同時計測による血流と神経活動の関連性の調査を目指す。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 取得したイメージングデータを無線通信システムの試作を行った。本システムでは市販の無線通信可能な機器を利用し、小型イメージングデバイスで取得した画像のWi-Fi通信による無線送信を実現した。本システムは、無線通信により生体情報を得られるかを検証するため、実証実験用として培養細胞観察用の小型イメージングデバイスを試作し、デバイス上に設置したサンプルの画像情報を送信する事に成功した。この小型イメージングデバイスは、CMOSイメージセンサ上に励起光カット用ロングパスフィルタ(500nm Cut-On)と光伝送素子を搭載し、画像取得部は脳機能計測用小型イメージングデバイスと同様の構造を持つ。脳血流・神経活動同時計測可能な小型CMOSイメージングデバイスの開発では、独自設計のCMOSイメージングデバイス、血流観察用LED(波長535nm)、蛍光励起用LED(波長465nm)と励起光カット用ロングパスフィルタ(500nm Cut-On)、光伝送素子が搭載したデバイスを試作している。カルシウムセンサーであるGCaMPたんぱく質を発現する遺伝子組み換えマウスを用いた脳機能計測実験を行う事を目的としている。
Strategy for Future Research Activity	試作した無線送信可能なイメージングシステムを用いた培養細胞の蛍光および形状の計測実験を行い、生体情報を取得可能なデバイスであることを示す。培養細胞の計測実験では染色法を用いた蛍光観察実験を行う予定である。脳血流・神経活動計測用小型CMOSイメージングデバイスの開発では、試作デバイスを用いたカルシウムセンサーであるGCaMP6を発現する遺伝子組み換えマウスの脳表血流・蛍光観察実験実験を目標にデバイス機能の検証を進める。また、大脳皮質体性感覚野における血流および神経活動の変化をリアルタイムに計測し、行動と脳機能の関連性の調査を行う。