2018 Fiscal Year Annual Research Report
Sophistication and application of in vivo imaging technologies by using vector laser light
| Project Area | Resonance Biology for Innovative Bioimaging |
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| Project/Area Number |
15H05953
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
根本 知己 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (50291084)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 俊一 東北大学, 多元物質科学研究所, 教授 (30162431)
榎木 亮介 北海道大学, 電子科学研究所, 准教授 (00528341)
大友 康平 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (40547204)
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| Project Period (FY) |
2015-06-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 2光子顕微鏡 / バイオイメージング / ベクトルビーム / 開口放出 / Ca2+シグナル / 非線形光学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ベクトルビームを活用し、多光子顕微鏡法の高度化を推進した。特にW-VIEW光学系に偏光ビームスプリッターを導入し、2光子励起蛍光及び第2次高調波発生の偏光分分解イメージング法を完成させ、分子配向方向の高速ライブイメージングを実現した。その結果、アゴニスト刺激後の膵臓腺房細胞における消化酵素源顆粒の開口放出とエンドサイトーシス、細胞内膜系を非侵襲的に観察することに成功した。さらにCa2+インジケータを発現する遺伝子改変マウスの膵ラ氏島β細胞のインシュリンの開口放出においてCa2+動態とΩ構造とを同時高速イメージングに成功した。また、ナノ薄膜を用いて、生体脳深部in vivoイメージングの適用範囲を拡張することに成功した。
ベクトルビームの超解像特性のさらなる向上のために、ビーム径や強度分布、位相分布などのパラメータを変えながら、詳細に集光スポットの計算を行い、限界に近い超解像特性の発現条件を求めた。この結果を差引法に適用し、サイドローブの発生をほぼ抑制することに成功し、高い空間分解能、画像品質を達成することができた。また、ベクトルビームの特異的な特性のひとつである光軸方向に針状の長い強度分布を用いた新しい顕微鏡法の検討を進めた。
新しいベクトルビームの発生方法として、面発光レーザーに偏光選択性を持つ外部共振器を構成し、極めて安定にベクトルビームが発生することを見出した。コンパクトで安価・安定なベクトルビーム光源としての使用が期待された。
その他、研究領域の内外との共同研究、連携研究を推進し、細胞分裂における細胞骨格動態のマルチカラーイメージングなど新たな知見を得ることに成功した。特に、他の計画班との共同研究のひとつとして、ベクトルビームの光ニードル特性や自己治癒効果を利用する新たな高速イメージング法の開発研究を開始した。また、光ビームの位相制御方法に関して国際共同研究を推進した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
生命科学現象の可視化解析のためには、生きたままの生体組織に対して、非侵襲的かつ高速の断層イメージングが必要である。本年度は、マルチビーム型レーザースキャナーを用いた多光子顕微鏡の高い時間分解能と低侵襲性を活用し、in vivoイメージングの有用性を明瞭に示すことができた。特に、生体内で近赤外超短光パルスレーザが引き起こす非線形光学過程である2光子励起過程や第二次高調波発生を利用することで、分子配向を直接的に可視化する手法を確立し、さらに原著論文として発表できたことは極めて重要な成果である。また、ナノ薄膜や補償光学の活用は、今まで観察不可能であったマウスの生体脳の領域にまで、2光子励起生体深部イメージングの適用範囲を拡張することにも成功した。このナノ材料研究者は新たに後期の公募班員に採用されることとなり、一層の共同研究の推進が期待される。そして本新規顕微鏡によって新たに撮影された3次元動画を、画像解析法の研究開発をメインのテーマとする計画班員や公募班員に提供することで、原著論文や査読付国際会議等の具体的な研究成果の形で、新規的な画像解析手法の確立にも寄与した。一方、ベクトルビームの光科学において得られた自己治癒効果などの際立った新知見は、他の計画研究班の研究開発する2光子ライトシート顕微鏡法の研究開発に応用され、領域内共同研究として相乗的な効果を上げた。また、これらの顕著な研究成果は海外からも着目を得、今年度は特に、米国、ウクナイナ、ポーランドとの国際的な共同研究へとつながり、原著論文の出版へと至った。このように当初計画では予想できなかった成果を挙げている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2光子顕微鏡システムに空間光変調器を導入するなど実施し、レーザー光のベクトル化や生体観察用の補償光学系の構築を推進してきたが、昨年度までの成果に基づき、今後はさらなるイメージング技術の高度化を推進する。また、脳の透明化技術の推進、開口放出機能の高速可視化解析を推進する。特に以下の点を推進する。
１．新規2光子顕微鏡とナノ薄膜材料を用いてオープンスカル法等でのマウス生体脳イメージングへの適用可能性の検討を引き続き推進する。特に、長期観察や、聴覚野や前頭前野などの多様な脳領域への適用等の可能性を検討する。また、生体脳の光学的な特性について得られた知見やベクトルビームの技術を基盤に、撮像範囲の広範囲化を図るために、励起レーザー光を光ニードルに変換する手法を引き続き検討する。また生体脳深部での光破断の方法や障害の定量的な画像解析法の開発を引き続き推進する。
２．マルチビーム型レーザースキャナーに超短光パルスレーザーに導入し、広視野・高速の２光子イメージングが可能となった。そこで、新たに多様なモデル生物を活用し、細胞内小器官動態の3次元的な可視化解析法の開発を推進する。
3．ベクトルビームの技術や画像処理技術を活用した超解像イメージング技術についてさらに検討を進める。また、コンパクトで安価・安定なベクトルビーム光源へと繋がると期待される、面発光レーザーに偏光選択性を持つ外部共振器の構成による極めて安定したベクトルビームの発生手法についても研究開発を推進する。
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[Journal Article] Rational engineering of XCaMPs, a multicolor GECI suite for in vivo imaging of complex brain circuit dynamics2019
Author(s)
M. Inoue, A. Takeuchi, S. Manita, S. Horigane, M. Sakamoto, R. Kawakami, K. Yamaguchi, K. Otomo, H. Yokoyama, R. Kim, T. Yokoyama, S. Takemoto-Kimura, M. Abe, M. Okamura, Y. Kondo, S. Quirin, C. Ramakrishnan, T. Imamura, K. Sakimura, T. Nemoto, M. Kano, H. Fujii, K. Deisseroth, K. Kitamura, H. Bito
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Journal Title
Cell
Volume: in press
Pages: －
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Development of 3D imaging technique of reconstructed human epidermis with immortalized human epidermal cell line2018
Author(s)
Inoue Yu, Hasegawa Seiji, Miyachi Katsuma, Yamada Takaaki, Nakata Satoru, Ipponjima Sari, Hibi Terumasa, Nemoto Tomomi, Tanaka Masahiko, Suzuki Ryo, Hirashima Naohide
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Journal Title
EXPERIMENTAL DERMATOLOGY
Volume: 27
Pages: 563～570
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] A Cascade Of CNN and LSTM Network With 3D Anchors For Mitotic Cell Detection2019
Author(s)
Titinunt Kitrungrotsakul, Yutaro Iwamoto, Xian-Hau Han, Satoko Takemoto, Hideo Yokota, Sari Ipponjima, Tomomi Nemoto, Xiong Wei, Yen-Wei Chen
Organizer
The 44th International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, ICASSP 2019
Int'l Joint Research
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