Neural interface for biohybrid artificial limbs that realize sensory and motor functions

• Project Area: Science of Soft Robot: interdisciplinary integration of mechatronics, material science, and bio-computing
• Project/Area Number: 21H00323
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 八木 透 東京工業大学, 工学院, 教授 (90291096)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000); Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2021: ¥5,590,000 (Direct Cost: ¥4,300,000、Indirect Cost: ¥1,290,000)
• Keywords: 神経インタフェース / 電極 / リポソーム / DNAナノチューブ / 神経工学 / 脂質二重膜 / 細胞内刺激 / ブレインマシンインタフェース

Outline of Research at the Start

本研究は感覚機能と運動機能を有するバイオハイブリッド義手に適した神経細胞内刺激電極アレイの開発を目的とする．人工細胞膜とDNAナノチューブによって金属電極を覆うことで，電極が神経組織に直接触れることなく機能的な接続を実現する細胞内電極アレイの開発を行う．まず，DNAナノチューブを挿入した人工細胞膜を電極基板上に配置し，電極アレイを構築する．次に，構築した電極アレイで細胞内刺激を行い，さらにその生体適合性を最大化する技術について研究を行う．電極アレイで培養神経細胞を刺激し活動電位を記録する実験に並行して，DNAナノチューブの量と細胞生存率の関係を評価し，電極アレイのプロトタイプを完成させる．

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，感覚機能と運動機能を有するバイオハイブリッド義手に適した神経細胞内刺激電極の開発を目的としている．この刺激電極は，脂質二重膜（人工細胞膜）に埋め込んだDNAナノチューブやカーボンナノチューブなどの管状ナノ構造体を電気シナプスとして神経と接続する点が特徴である．
本年度は主に，昨年度に設計したDNAナノチューブ（ナノチューブ）の製作と，そのナノチューブを介した物質輸送についての評価実験を実施した．電気泳動による評価の結果，所望の長さのナノチューブができていることが分かった．また2つの異なるナノチューブが接近するとドッキングするような構造を設計製作して電気泳動実験を実施したところ，確かにドッキングして所望の長さになることを確認できた．次に，ナノチューブをリポソームに組み込み，膜内外の物質輸送の様子を蛍光観察したところ，確かに膜表面にナノチューブが組み込まれていることが蛍光観察された．またリポソーム内へのイオンの流入を蛍光観察できた．そしてドッキングポートタイプのナノチューブについては，リポソームがドッキングしている様子を観察できた．
しかし今回の結果は，膜に対してナノチューブが垂直につき刺さりナノチューブの孔を介してイオンが流入したのか，それともナノチューブが膜に突き刺さった状態で膜とナノチューブの間にできた隙間からイオンが流入したのか，本結果からはわからない．膜の孔を外力で開閉できるようにすれば，物質輸送の機能を明確に判定できることから，今後は超音波で開閉制御ができるナノチューブの設計に着手する，そして再設計したナノチューブを試作し，イオンの物質輸送の機能について実験を試みる．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Neural Interface for Biohybrid Prosthetic Hands to Realize Sensory and Motor Functions (2022)
  • Author(s): Yagi Tohru、Peng Zugui、Kanno Shoichiro
  • Journal Title: Journal of Robotics and Mechatronics Volume: 34 Issue: 2 Pages: 316-318
  • DOI: 10.20965/jrm.2022.p0316
  • ISSN: 0915-3942, 1883-8049
  • Year and Date: 2022-04-20
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neural Interface : Technology to Link Humans and Machines at the Brain/Neural Level (2021)
  • Author(s): 八木 透, 彭 祖癸
  • Journal Title: Journal of the Japan Society for Precision Engineering Volume: 87 Issue: 12 Pages: 926-929
  • DOI: 10.2493/jjspe.87.926
  • NAID: 130008125000
  • ISSN: 0912-0289, 1882-675X
  • Year and Date: 2021-12-05
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Formation of Agarose-supported Liposomes by Polymer-assisted Method toward Biosensor (2021)
  • Author(s): Peng Zugui、Wada Kentaro、Shimba Kenta、Miyamoto Yoshitaka、Yagi Tohru
  • Journal Title: IEEJ Transactions on Electronics, Information and Systems Volume: 141 Issue: 5 Pages: 646-653
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.141.646
  • NAID: 130008033226
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
  • Year and Date: 2021-05-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Study of the Effects of Plasma Surface Treatment on Lipid Bilayers Self-Spreading on a Polydimethylsiloxane Substrate under Different Treatment Times (2021)
  • Author(s): Zugui Peng,Kenta Shimba,Yoshitaka Miyamoto,Tohru Yagi
  • Journal Title: LANGMUIR Volume: 37 Issue: 36 Pages: 10732-10740
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c01319
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Transmembrane Carbon Nanotubes for Intracellular Stimulation (2022)
  • Author(s): Shoichiro Kanno, Zugui Peng, Kenta Shimba, Yoshitaka Miyamoto, Tohru Yagi
  • Organizer: 2022 14th Biomedical Engineering International Conference (BMEiCON)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カーボンナノチューブの膜挿入が脂質二重膜の形態に及ぼす影響について (2022)
  • Author(s): 菅野翔一朗, 彭 祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
  • Organizer: 日本生体医工学会関東支部 若手研究者発表会2022
• [Presentation] 人工細胞のコミュニケーションツールの創成に向けた 細胞膜貫通DNAナノチューブに関する研究 (2022)
  • Author(s): 彭 祖癸, 榛葉 健太, 宮本 義孝, 八木 透
  • Organizer: 2022年電気学会 電子・情報・システム部門大会
• [Presentation] 脂質二重膜への超短カーボンナノチューブの組み込みによる膜形態への影響 (2022)
  • Author(s): 菅野翔一朗, 彭 祖癸, 榛葉健太, 宮本義孝, 八木透
  • Organizer: 2022年電気学会 電子・情報・システム部門大会
• [Presentation] 生体適合性が高い細胞内刺激電極の実現に向けた 細胞膜貫通DNAナノチューブの開発 (2021)
  • Author(s): 彭 祖癸,榛葉 健太,宮本 義孝,八木 透
  • Organizer: 2021年電気学会 電子・情報・システム部門大会
• [Presentation] PDMS表面における脂質膜の自発展開 (2021)
  • Author(s): 彭 祖癸,榛葉 健太,宮本 義孝,八木 透
  • Organizer: 第68回 応用物理学会春季学術講演会
• [Remarks] 八木研究室 発表文献
  • URL: http://www.bme.mech.e.titech.ac.jp/publication.php
• [Remarks] Yagi Laboratory -Tokyo Tech
  • URL: http://www.bme.mech.e.titech.ac.jp/