• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

Development of a versatile methodology for brain circuit manipulation through multicolor and high-efficiency X-ray optogenetics

Research Project

Project/Area Number 23K24200
Project/Area Number (Other) 22H02939 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 51010:Basic brain sciences-related
Research InstitutionFujita Health University

Principal Investigator

山下 貴之  藤田医科大学, 医学部, 教授 (40466321)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 柳田 健之  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20517669)
越水 正典  静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (40374962)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
Keywords光遺伝学 / X線 / 電気生理学 / シンチレータ / マウス / オプシン / シンチレーター / ドーパミン / ナノ粒子
Outline of Research at the Start

自由行動中の動物において深部脳細胞を効率よく体外から遠隔操作することは未だ困難である。本研究代表者たちは、生体を透過するX線を用いて神経細胞の活動を遠隔操作する「X線光遺伝学」を独自に開発した。本技術では放射線励起蛍光体であるシンチレータを用いるが、本技術での有効性が証明されたシンチレータは未だ1種類のみであり応用が限定されている。そこで、本研究では、様々な発光波長を持つ高効率シンチレータを活用するとともにX線エネルギーを高効率で光感受性タンパク質に伝達する技術を開発することで、汎用的な脳神経機能の遠隔操作技術を確立する。

Outline of Annual Research Achievements

自由行動中の動物において深部脳細胞を効率よく体外から遠隔操作することは未だ困難である。本研究代表者たちは、生体を透過するX線を用いて神経細胞の活動を遠隔操作する「X線光遺伝学」を独自に開発した。本技術では放射線励起蛍光体であるシンチレータを用いるが、本技術での有効性が証明されたシンチレータは未だ1種類のみであり応用が限定されている。そこで、本研究では、様々な発光波長を持つ高効率シンチレータを活用するとともにX線エネルギーを高効率で光感受性タンパク質に伝達する技術を開発することで、汎用的な脳神経機能の遠隔操作技術を確立することを目的としている。前年度までに、様々なシンチレータ素材の有効性をテストするためのルーティンを構築した。まず、①脳注入による炎症誘発性テストを行い、生体無毒であることを確認した後、②電気生理学による神経操作テストを行って、神経操作の効率を測定する。その後、③VTAドーパミン神経を操作して条件付け場所嗜好性テストを行うという順番である。これまでに使われたことのないシンチレータ素材であるCe:GAGGナノ粒子、Rb2CuRr3マイクロ粒子, Cs3Cu2I5マイクロ粒子,Cs3Cu2I5ナノ粒子、(C38H34P2)MnBr4マイクロ粒子, NaLuF4:Tbナノ粒子、Eu:GAGGマイクロ粒子について、粒子を作製(あるいは入手)してマウス脳に注入し、炎症誘発性をテストしたところ、Ce:GAGGナノ粒子とEu:GAGGマイクロ粒子を除きすべて炎症誘発性であった。これまで、Ce:GAGGナノ粒子については電気生理学による神経操作テストにより有効性を確かめた。現在、Ce:GAGGナノ粒子を用いてX線照射による行動誘発実験を実施中であり、2024年度内に論文発表できる見込みである。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

検討した新規候補シンチレータ素材のほとんどが予想に反し生体毒性を持ち注入組織に炎症を引き起こすものであったが、新規素材であるCe:GAGGナノ粒子について有効性を確かめることができ、早期に論文化できる見込みであるため。引き続き他の新規候補の探索を続けるとともに、生体毒性のある粒子については被膜を施すことにより無毒化できるか否かを検討していく。

Strategy for Future Research Activity

本年度はCe:GAGGナノ粒子を用いた行動テストと、Eu:GAGGマイクロ粒子を用いた神経操作テストと行動テストを行い、上記のネガティブデータと共に論文化する。また、毒性のある粒子をシリカやPEGなどで被膜することで無毒化できるか否かについての検討や、Ce:GPSなど新たなシンチレータ素材候補についてもテストしていく予定である。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 4 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 6 results) Remarks (4 results)

  • [Journal Article] Development of Ce-doped Gd3Al5−yGayO12 Nanoparticle Scintillators2023

    • Author(s)
      Masanori Koshimizu, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
    • Journal Title

      Sensors and Materials

      Volume: 35 Issue: 2 Pages: 521

    • DOI

      10.18494/SAM4149

    • ISSN
      0914-4935, 2435-0869
    • Year and Date
      2023-02-20
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Interareal Synaptic Inputs Underlying Whisking-Related Activity in the Primary Somatosensory Barrel Cortex2023

    • Author(s)
      Kawatani Masahiro、Horio Kayo、Ohkuma Mahito、Li Wan-Ru、Yamashita Takayuki
    • Journal Title

      The Journal of Neuroscience

      Volume: 44 Issue: 4 Pages: e1148232023-e1148232023

    • DOI

      10.1523/jneurosci.1148-23.2023

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] X線を用いた細胞機能の遠隔光操作2022

    • Author(s)
      松原 崇紀、山下 貴之
    • Journal Title

      Seibutsu-kogaku Kaishi

      Volume: 100 Issue: 8 Pages: 437-440

    • DOI

      10.34565/seibutsukogaku.100.8_437

    • ISSN
      0919-3758, 2435-8630
    • Year and Date
      2022-08-25
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Open Access
  • [Journal Article] Primary motor cortex drives expressive facial movements related to reward processing in mice2022

    • Author(s)
      Li Wanru、Nakano Takashi、Mizutani Kohta、Kawatani Masahiro、Matsubara Takanori、Danjo Teruko、Mukai Yasutaka、Yamanaka Akihiro、Ito Hikaru、Aizawa Hidenori、Petersen Carl C. H.、Yoshimoto Junichiro、Yamashita Takayuki
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: - Pages: 1-62

    • DOI

      10.1101/2022.10.28.514159

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] How Rewards Influence Facial Movements in Mice2023

    • Author(s)
      Takayuki Yamashita
    • Organizer
      Fujita International Symposium on Brain science 2023
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Uncovering the Neuronal Mechanisms of Uninstructed Orofacial Movements in Reward-Based Learning Behaviors2023

    • Author(s)
      Takayuki Yamashita
    • Organizer
      Bordeaux Neurocampus Seminar
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] The neural basis of reward-related facial movements and their impacts on sensory perception2023

    • Author(s)
      Takayuki Yamashita
    • Organizer
      Barrel cortex and beyond
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Reward-Related Orofacial Movements: Mechanisms and Influence on Cortical Activities2023

    • Author(s)
      山下 貴之
    • Organizer
      生理研シナプス研究会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] D1 receptor-dependent and -independent uninstructed orofacial movements during reward-based learning behaviors2023

    • Author(s)
      Wanru Li, Takashi Nakano, Takayuki Yamashita
    • Organizer
      NEURO2023 第46回日本神経科学大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 一次体性感覚野における運動に伴う神経活動は高次体性感覚野からのフィードバック入力により生じる2023

    • Author(s)
      河谷 昌泰、堀尾 佳世、リ ワンル、大熊 真人、山下 貴之
    • Organizer
      NEURO2023 第46回日本神経科学大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 報酬はどのように顔を動かすか2023

    • Author(s)
      山下 貴之
    • Organizer
      定量生命科学研究所セミナー
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Remote control of neuronal functions using X-rays2022

    • Author(s)
      Takayuki Yamashita
    • Organizer
      The 1st Fujita International Symposium on Brain Science
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Remarks] 運動中に感覚が変化する脳メカニズムを解明

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/news/j93sdv000000pr1m.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] Challenging the Traditional Views on ...

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/en/news/kka9ar00000029xf.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 報酬が表情を変化させる神経メカニズムを解明

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/news/j93sdv000000l0gv.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] Unveiling the Mechanism Underlying ...

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/en/news/kka9ar00000024tb.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi