2021 Fiscal Year Annual Research Report
In Vitro Reconstitution of Multicellular Computing Systems
| Project Area | Multicellular neurobiocomputing |
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| Project/Area Number |
21H05164
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
山本 英明 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10552036)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708)
平野 愛弓 東北大学, 材料科学高等研究所, 教授 (80339241)
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| Project Period (FY) |
2021-08-23 – 2024-03-31
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| Keywords | 多細胞バイオ計算 / 培養神経回路 / バイオインターフェース / マイクロ流体デバイス / 蛍光カルシウムイメージング / レザバー計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本計画班では，微細加工基板表面に形成した人工神経細胞回路とその摂動解析系を基盤として，実神経細胞が構成するマルチセルラネットワークの大自由度システムとしての動的特性と自己組織性をボトムアップに解析するための実験系を創成することを目指している．今年度はまず，A03松井班が研究対象とする大脳皮質視覚野のモデル系として階層的フィードフォワード型神経回路の実細胞モデルを構築するためのマイクロ流体デバイスを開発した．具体的には，マイクロ流路の形状を非対称化することによりモジュール間結合に指向性を持たせ，神経突起成長の経時観察や自発的神経活動の機能解析を通じて，培養神経回路の神経活動の伝搬に整流特性が持たせられることを見いだした．並行して，大脳皮質のリカレント型回路のモデル系として確立したモジュール構造型培養神経回路を対象として，A04正水班が対象とする運動野において観測される複雑な神経発火パターンが発現するための構造基盤を，自発活動と刺激応答の観点から解析した．さらに，A01香取班との密接な連携のもとで，人工神経細胞回路の刺激応答パターンを機械学習におけるレザバーコンピューティングの枠組みを用いてデコーディングするための実験系・解析系の構築に着手した．すでに確立している蛍光カルシウムイメージング法での活動計測に加えて，高密度多点電極アレイへの人工神経細胞回路の形成と神経活動計測の条件出しもほぼ完了することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
培養神経回路の計算特性をレザバーコンピューティングの枠組みに基づいて解析する実験系を構築し，そのモデリングについてA01班との共同研究を開始した．またA03班の対象とする大脳皮質視覚野に見られるフィードフォワード構造を再現する人工神経細胞回路を構成するための要素技術を確立した．
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| Strategy for Future Research Activity |
培養神経回路のレザバー計算特性のネットワーク構造依存性の解析と，多点電極アレイ上への神経細胞パターニング技術の開発が次の課題である．
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