Optical control of neuro-dynamics with laser-induced molecular manipulation

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17H01820
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Life / Health / Medical informatics
• Research Institution: Osaka City University (2018-2021); National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (2017)
• Principal Investigator: Hosokawa Chie 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (60435766)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: ナノバイオ / ニューロフォトニクス / 神経細胞 / 光ピンセット

Outline of Final Research Achievements

Local perturbations of focused laser beam actively manipulate functional molecules on neurons, and transient intracellular molecular movements in response to the perturbations were revealed by fluorescence analysis. Cell surface receptor molecules were optically trapped as laser intensity or days in culture increased, indicating that optical trapping dynamics were dependent on the initial assembly state. Furthermore, simultaneous measurement of intracellular electrical activity and microscopic fluorescence analysis revealed that synaptic transmission strength in neurons may increase based on optical trapping of receptor molecules.

Free Research Field

生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

レーザー誘起細胞内分子秩序化による細胞機能操作手法は、従来、必要不可欠であったケージド化合物や遺伝子の導入を必要とせずに単一の神経細胞に対して適用できることから、これまでにない単一シナプス精度による神経細胞の直接操作が可能とる。ラベルフリーで神経回路における任意の細胞を単一シナプスレベルで操作可能であることから、従来の遺伝子操作を代替・補完する脳機能操作技術、ブレインマシンインターフェイスのための細胞刺激技術、さらには脳・神経疾患の標的分子に注目した新たな光治療研究への波及効果も期待される。