2016 Fiscal Year Research-status Report
ナノ構造型電極アレイを用いたマイクロパターン神経回路の機能計測
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15K17449
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
山本 英明 東北大学, 学際科学フロンティア研究所, 助教 (10552036)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 培養神経回路 / 自発活動 / 細胞パターニング / 表面改質 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ガラス基板上に細胞親和性が異なる２種類の材料をパターニングしておくことで，それをテンプレートとして用いて生きた細胞をパターニングすることができる．本研究ではこの技術を脳神経系の回路素子である神経細胞と組み合わせて，生きた神経回路の諸特性をボトムアップに調べるための新しい実験系を構築し，その回路機能を計測した．
本年度は特に，神経回路を構成する細胞数と神経活動の同期に焦点を当てて研究を進めた．神経系において同期活動はシナプス荷重値の調整や神経信号伝達において重要な役割を果たしている．本研究では，自発活動と呼ばれる外部入力がない状態での活動に着目して，いくつの細胞が集まると同期した自発活動が発生するのか，そして，回路を構成する細胞数が変化すると自発活動パターンはどのように変化するのか，を調べた．その結果，まず前者については，たかだか12 個からなる神経回路でも同期した自発発火が起こることが分かった．ただ，自発発火の発生や伝播には細胞数だけでなく，シナプス結合の密度も重要な役割を果たすため，細胞間がより密に結合した回路をつくることができれば，より少ない数の細胞で神経回路を同期させられる可能性もある．後者の問いについては，回路の構成細胞数が減少すると同期発火の頻度が下がることが分かった．さらに，これらの結果は積分発火ニューロンモデルを用いた計算機シミュレーションにより理論的に考察した．
またこの間に，テンプレート基板の作製法としてマイクロコンタクトプリンティング法によるプロセスを最適化した．これは今後，多点電極アレイなどへの神経細胞パターニングへと研究を展開する際に適合性が高い手法である．
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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
微小電極アレイの高感度化技術の開発については昨年度に成果が上がったため（Matsumura, Yamamoto et al., Applied Physics Letters 2016），本年度は培養神経細胞のマイクロパターニング技術とその機能計測に注力して研究を進めた．その結果，神経細胞の同期現象に関する新しい知見などを得ることができ，それらの結果を4報の原著論文などとして発表することができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までに確立した培養神経回路の構造制御技術を用いて，生体大脳皮質に類似した構造を有する培養神経回路を再構成する．さらに，その自発発火パターンや刺激応答といった回路機能の評価を進める．
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| Causes of Carryover |
概ね計画通りに執行したが，当該研究課題を推進するために残額で購入できる物品がなくなったため，次年度予算と合算して使用することにした．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度使用額は年度予算の10%未満であり，使用計画に変更はない．
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