2019 Fiscal Year Annual Research Report
Optical control of neuro-dynamics with laser-induced molecular manipulation
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17H01820
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
細川 千絵 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (60435766)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ニューロフォトニクス / ナノバイオ / 神経細胞 / 光ピンセット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、集光レーザービームの局所力学摂動により神経細胞に局在するタンパク質分子を能動的に操作し、摂動に伴い過渡的に応答する細胞内分子秩序形成、さらには分子秩序化により誘発される神経活動の時空間ダイナミクスを明らかにする。レーザー誘起細胞内分子秩序化により、神経細胞シナプス結合部位に局在する分子動態や細胞内イオン濃度を操作する技術を開発することにより、神経細胞ネットワークにおける神経活動ダイナミクスの制御を実証する。
本年度は、レーザー誘起細胞内分子秩序化により誘発される神経活動の時空間ダイナミクスを明らかにするため、光ピンセット用近赤外レーザー照射による神経細胞の蛍光イメージングと神経細胞の膜電位を同時に計測可能なシステムを構築し、光ピンセットを用いた神経細胞表面分子操作と神経電気活動との関係性について検証した。ラット胎児由来海馬神経細胞を分散培養し、神経細胞表面のAMPA型グルタミン酸受容体（AMPAR）を量子ドット（QD）により可視化した。光ピンセット用レーザーを導入した蛍光顕微鏡に神経細胞の膜電位計測システムを組み合わせ、神経細胞膜電位の自発活動の計測を確認した。神経細胞表面のQD-AMPARにレーザーを集光したところ、レーザー照射後の自発発火回数が照射前と比較して増加する傾向がみられ、レーザー誘起細胞内分子秩序化と神経活動の変化との関係性が示唆された。さらに、細胞外電位多点電極上で培養した神経回路網に対して、細胞刺激用レーザーを細胞の局所領域に集光することによる得られた神経活動変化を、従来法である電気的刺激により誘発された神経活動変化と比較したところ、刺激直後の誘発応答パターンが類似する傾向がみられた。
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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
本年度の研究実施計画に基づいて研究が遂行され、顕微蛍光測定と電気生理計測との同時測定により、レーザー誘起細胞内分子秩序化ダイナミクスと神経活動変化との関係性を示唆する結果が得られた。さらに、細胞刺激用レーザー照射に伴い誘発された神経活動変化と電気刺激により誘発された神経活動変化とを細胞外電位多点計測システムを用いて比較し、刺激直後の誘発応答が類似する傾向を見出した。以上の成果から、本年度は研究計画に沿って順調に研究が進展したと判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
レーザー誘起細胞内分子秩序化過程における神経活動変化について引き続き検証する。単一神経細胞レベルでの顕微蛍光計測と細胞膜電位および電流計測とを同時に行い、レーザー照射前後における神経活動変化について考察する。さらに、細胞刺激用レーザーの集光位置や照射タイミングを調整し、神経活動ダイナミクスの操作過程について明らかにすることにより、レーザー光刺激手法の特性について検証する。
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