2016 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ加工表面に構築した細胞神経回路の活動計測と数値計算を組合せた機能解析法の確立
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15J07429
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
河野 翔 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 神経細胞 / マイクロパターニング / 表面改質 / 数値計算 / 数理モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳は約1000億個の神経細胞が複雑なネットワークを構築し、細胞間の電気的相互作用により機能発現する情報処理システムである。
本研究では、ナノ/マイクロ加工技術を活用し、任意の位置に神経細胞を配置・接続して生きた神経細胞をパターニングした細胞神経回路を構築し、その活動計測を通して神経回路の構造と活動の関係を明らかにすることを目的としている。当該年度においては、1)マイクロパターン基板を用いた興奮性/興奮性神経細胞の非標識判別法の開発、2)マイクロパターン基板上に構築した2細胞神経細胞の活動計測、3)細胞へのダメージ軽減を目的とした可視光応答型光触媒リソグラフィ法の開発と液中細胞パターニングを実施した。
1)ではマイクロパターン基板を用い、興奮性神経細胞と抑制性神経細胞を生きた状態で蛍光標識を施さずに判別できる方法を考案した。神経細胞の出力端子である軸索を選択的に観察可能なマイクロパターンを作製し、軸索経路に伸長した突起を経時的に観察した。抑制性神経細胞の軸索伸長が有意に遅いことがわかり、軸索長を観察のみで98%の確率で細胞種を判別することができた。2)ではマイクロパターンを用いて細胞間接続様式の異なる神経細胞回路を構築し、活動を計測した。2細胞間の接続(シナプス)が強固である場合は2細胞が高頻度で同期活動する一方で、細胞間の接続が少ない場合は低頻度な同期活動と個別の活動が観察できた。シナプス数や強度と同期活動の関係を見出し、今後は数理モデル化を行なう。3)では培養環境下で神経細胞間の突起接続を可能にする技術を構築している。これまで酸化チタンの光触媒を活用し、紫外光照射で表面改質してきたが、細胞ダメージ軽減を目的とし、可視光応答型酸化チタンを用いた液中改質を目指した。この結果、蒸着時の条件を変更することにより可視光照射によって液中改質でき、細胞をパターニングすることに成功した。
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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
脳型計算様式を抽出するためのプラットフォームとして、生きた神経細胞を素子とした神経細胞回路の構築を行っているが、該当年度の研究により興奮性/抑制性神経細胞の判別を培養環境下で非標識に判別することと、接続様式の異なる同一個の神経細胞回路を構築することが可能となった。少数個の神経細胞の活動計測と数値計算を組み合わせた数理モデルの構築への土台がほぼ完成したと言える。また、可視光応答酸化チタンを用いた光触媒リソグラフィによる表面改質技術により、細胞へのダメージを軽減した上で任意の細胞同士を接続する手応えを得た。
本年度の前半に、興奮性/抑制性神経細胞の非標識判別に関する論文を投稿した際、審査員より追加実験をするようにと助言をいただき、アクセプトが予想よりも遅くなってしまい、当初の研究予定よりやや遅れてしまったが、アクセプト後の研究は順調に進んでおり、次年度は全体の課題を達成するように一層努力する所存である。
本年度実施した研究成果について、原著論文2本、学会発表4回でまとめた。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、まず可視光応答型酸化チタンを用いた液中細胞パターニングの技術を完成させる。この技術の完成により、細胞へのダメージが少ない状態で任意の細胞同士を接続し、機能的な神経回路を構築することが可能になる。この研究と並行して、シンプルな接続を持つ神経細胞回路を構築し、回路の自発的神経活動や刺激に対しての応答を詳しく解析し、これまでの数理モデルに組み込まれていなかった要素を抽出する。ここで構築した数理モデルを用い、ガラス基板上に構築した細胞神経回路の活動計測を数値計算によって予測できるようにする。
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