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2019 Fiscal Year Annual Research Report

人工神経細胞回路の複雑ダイナミクスに基づく時系列情報処理とそのモデル化

Research Project

Project/Area Number 18H03325
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

山本 英明  東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10552036)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 佐藤 茂雄  東北大学, 電気通信研究所, 教授 (10282013)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords培養神経回路 / バイオインターフェース / マイクロ加工 / 多細胞システム / 生体情報処理
Outline of Annual Research Achievements

本研究では,神経回路網を多細胞システムとして捉え,その情報処理をボトムアップに解析する実細胞実験系を構築することを目指している.2年目の平成31年度は,培養神経回路の摂動解析系として,光応答性カチオンチャネルと蛍光カルシウムプローブを組み合わせた光インターフェースを構築した.主要な要素技術は(1)光応答性イオンチャネルの遺伝子導入と,(2)パターン光照明装置の光学系構築である.要素技術(1)では,アデノ随伴ウイルスを用いて赤色励起型チャネルロドプシンChrimsonRを神経細胞に遺伝子導入する実験条件を検討した.要素技術(2)では高輝度赤色LED光をディジタルミラーデバイスでパターン化して,細胞培養用チャンバー付き倒立型蛍光顕微鏡に導入した.また観察下に置かれた培養神経回路の中から刺激対象となる細胞をGUI上で任意に選択し,それらに対する刺激照明パターンを自動生成するコードをMATLABベースで開発した.以上の実験を進めたことによって,培養神経回路中の約10個程度の神経細胞に対して400ミリ秒の時間分解能で刺激することが可能になった.また昨年度までの研究により,培養神経回路をモジュール構造型にパターニングすることにより培養系において観察される非生理的な同期バースト発火が抑制できることが分かっていたが,今年度はさらに,脳に近い弾性率(0.5 kPa程度)のシリコーン樹脂上でラット大脳皮質神経細胞を培養すると,弾性率が約10^8倍高いガラス上で培養した場合に比べて,生体神経回路に比べて強くなっている興奮性シナプス結合が弱まり,同期バースト発火も抑制されることが分かった.この研究で用いた超軟シリコーン樹脂はまた,力学的柔軟性と電気的絶縁性を併せ持つユニークな材料であるため,これをパッシベーション層とする3次元電極MEAを提案した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

蛍光顕微鏡の光学系を拡張し,さらにアデノ随伴ウイルスを使った神経細胞への遺伝子導入実験を立ち上げることにより,課題2年目における検討項目であった培養神経回路の摂動解析系を構築することができた.

Strategy for Future Research Activity

マイクロ加工基板上でパターン培養した培養神経回路に対して時空間パターン刺激を印加し,ネットワーク構造依存的な入力応答の解析を進めることが次の課題である.

  • Research Products

    (43 results)

All 2020 2019 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (34 results) (of which Int'l Joint Research: 21 results,  Invited: 4 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] ミュンヘン工科大学(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      ミュンヘン工科大学
  • [Int'l Joint Research] バルセロナ大学(スペイン)

    • Country Name
      SPAIN
    • Counterpart Institution
      バルセロナ大学
  • [Int'l Joint Research] ミネソタ大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      ミネソタ大学
  • [Journal Article] Suppression of hypersynchronous network activity in cultured cortical neurons using an ultrasoft silicone scaffold2020

    • Author(s)
      Sumi Takuma、Yamamoto Hideaki、Hirano-Iwata Ayumi
    • Journal Title

      Soft Matter

      Volume: 16 Pages: 3195~3202

    • DOI

      10.1039/C9SM02432H

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultrasoft Silicone Gel as a Biomimetic Passivation Layer in Inkjet‐Printed 3D MEA Devices2019

    • Author(s)
      Yamamoto Hideaki、Grob Leroy、Sumi Takuma、Oiwa Kazuhiro、Hirano‐Iwata Ayumi、Wolfrum Bernhard
    • Journal Title

      Advanced Biosystems

      Volume: 3 Pages: 1900130~1900130

    • DOI

      10.1002/adbi.201900130

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Printed 3D Electrode Arrays with Micrometer‐Scale Lateral Resolution for Extracellular Recording of Action Potentials2019

    • Author(s)
      Grob Leroy、Yamamoto Hideaki、Zips Sabine、Rinklin Philipp、Hirano‐Iwata Ayumi、Wolfrum Bernhard
    • Journal Title

      Advanced Materials Technologies

      Volume: 5 Pages: 1900517~1900517

    • DOI

      10.1002/admt.201900517

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Quantitative Analysis of Dynamical Complexity in Cultured Neuronal Network Models for Reservoir Computing Applications2019

    • Author(s)
      Moriya Satoshi、Yamamoto Hideaki、Hirano-Iwata Ayumi、Kubota Shigeru、Sato Shigeo
    • Journal Title

      Proc. 2019 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN)

      Volume: ー Pages: N-20275

    • DOI

      10.1109/IJCNN.2019.8852207

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 微細加工表面を用いた培養神経回路の構造機能制御―多細胞システムにおける情報処理の理解と応用を目指して―2019

    • Author(s)
      山本英明、平野愛弓
    • Journal Title

      電子情報通信学会論文誌 C

      Volume: J102-C Pages: 340~347

    • Open Access
  • [Presentation] 実細胞を用いた神経回路機能の人工再構成2020

    • Author(s)
      山本英明
    • Organizer
      国際ナノテクノロジー総合展・技術会議(Nanotech 2020)
    • Invited
  • [Presentation] Analog neuron circuit for edge computing2020

    • Author(s)
      S. Sato, Y. Tamura, S. Moriya, T. Kato, H. Yamamoto, M. Sakuraba, Y. Horio, J. Madrenas
    • Organizer
      8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An experimental study on the spontaneous firing of single isolated neurons in autaptic culture using micropatterned substrates2020

    • Author(s)
      K. Hattori, K. Sato, H. Takahashi, T. Hayakawa, S. Oguma, M. Ishida, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
    • Organizer
      8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Stimulation of micropatterned neurons with a pair of needle electrodes and the activity measurement2020

    • Author(s)
      J. Imai, K. Hattori, H. Kurakake, T. Hashimoto, K. Sato, H. Takahashi, S. Oguma, M. Ishida, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
    • Organizer
      8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Controlling synchronized bursting activity of micropatterned cortical cultures by electrical field noise2020

    • Author(s)
      K. Wakimura, H. Yamamoto, K. Ide, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Soft scaffolds suppress hypersynchronous network activity in cultured cortical neurons2020

    • Author(s)
      T. Sumi, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Patterning neuronal networks in modular structure using thin PDMS microfluidics films2020

    • Author(s)
      T. Takemuro, H. Yamamoto, K. Wakimura, S. Sato, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Computational modeling of cultured neuronal networks and its reservoir computing applications2020

    • Author(s)
      S. Moriya, H. Yamamoto, Z. Chen, K. Wakimura, A. Hirano-Iwata, S. Kubota, S. Sato
    • Organizer
      8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] LSI implementation and its evaluation of an Izhikevich neuron model2020

    • Author(s)
      Y. Tamura, S. Moriya, T. Kato, H. Yamamoto, M. Sakuraba, S. Sato, Y. Horio, J. Madrenas
    • Organizer
      8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Biointerface engineering technologies for manipulating neuronal network functions in culture2020

    • Author(s)
      H. Yamamoto, K. Wakimura, Z. Chen, T. Sumi, T. Takemuro, A. Hirano-Iwata, S. Sato
    • Organizer
      8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] マイクロ加工培養神経回路の外部ノイズ刺激応答の解析2020

    • Author(s)
      住 拓磨,山本 英明,脇村 桂,佐藤 茂雄,平野 愛弓
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 神経細胞パターニングのための薄膜型PDMSマイクロ流路の開発2020

    • Author(s)
      竹室 汰貴,山本英明,脇村 桂,佐藤茂雄,平野愛弓
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 2針電極を用いた神経細胞刺激の応答計測とその理論解析2020

    • Author(s)
      服部晃平,鞍掛碧流,今井絢子,橋本拓弥,石田実穂子,佐藤晃揮,髙橋穂乃歌,小熊奏一郎,山本英明,平野愛弓,谷井孝至
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] マイクロパターン上の神経細胞への2針電極による刺激とその応答計測2020

    • Author(s)
      鞍掛碧流,服部晃平,今井絢子,橋本拓弥,佐藤晃揮,髙橋穂乃歌,小熊奏一郎,石田実穂子,山本英明,平野愛弓,谷井孝至
    • Organizer
      第67回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 神経回路における構造機能相関のin vitroモデリング2020

    • Author(s)
      山本英明,平野愛弓
    • Organizer
      第97回日本生理学会大会
    • Invited
  • [Presentation] Engineering the structure and function of neuronal networks in vitro2019

    • Author(s)
      H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      7th China-Japan Symposium on Nanomedicine
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Acute and transient responses of cultured cortical networks to electric-field noise2019

    • Author(s)
      K. Wakimura, H. Yamamoto, K. Ide, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      10th International Conference on Molecular Electronics & BioElectronics (M&BE10)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電気的外部ノイズ下における培養神経回路の活動パターン2019

    • Author(s)
      脇村 桂,山本英明,井手克哉,平野愛弓
    • Organizer
      第42回日本神経科学大会
  • [Presentation] Engineering network synchrony in cultured cortical neurons using microfabricated scaffolds2019

    • Author(s)
      Hideaki Yamamoto
    • Organizer
      Synchronization phenomena on complex networks, from math to experiments --Special workshop for AIMR Advanced Target Projects--
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Functional Connectivity in Engineered Neuronal Cultures: Challenges and Opportunities2019

    • Author(s)
      M. Montala, E. Estevez-Priego, A. A. Ludl, H. Yamamoto, J. Soriano
    • Organizer
      LANET (Latin American Conference on Complex Networks)-2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Synaptic plasticity in an isolated single autaptic neuron on a micropattern.2019

    • Author(s)
      A. Nakanishi, K. Hattori, T. Hayakawa, M. Ishida, H. Kurakake, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
    • Organizer
      第29回日本神経回路学会全国大会
  • [Presentation] 平行板電極を用いた外部ノイズ印可による培養神経回路の同期バースト変調効果の解析2019

    • Author(s)
      脇村 桂,山本英明,井手克哉,平野愛弓
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 高次元リザーバの実細胞再構成に向けた培養神経回路の伝搬指向性制御2019

    • Author(s)
      袁 之雄,山本英明,守谷 哲,井手克哉,脇村 桂,竹室汰貴,久保田 繁,佐藤茂雄,平野愛弓
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 生体脳組織の弾性率を模倣した超軟シリコーン樹脂上での神経細胞培養2019

    • Author(s)
      住 拓磨,山本英明,平野愛弓
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 2本針型刺激電極の試作とマイクロパターン上神経細胞回路への刺激導入に関する実行可能性評価2019

    • Author(s)
      服部晃平,鞍掛碧流,今井絢子,橋本拓弥,佐藤晃揮,髙橋穂乃歌,早川岳志,山本英明,平野愛弓,谷井孝至
    • Organizer
      第80回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] A computational study on the spontaneous firing pattern of single autaptic neurons -The contribution of AMPA and NMDA current-2019

    • Author(s)
      M. Ishida, K. Hattori, A. Nakanishi, T. Hayakawa, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
    • Organizer
      4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development (iLIM-4)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microcontact printing of scaffold proteins for engineering neuronal network functions2019

    • Author(s)
      H. Yamamoto, S. Moriya, K. Ide, T. Hayakawa, H. Akima, S. Sato, S. Kubota, M. Niwano, S. Teller, J. Soriano, T. Tanii, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development (iLIM-4)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] An experimental study on the spontaneous firing of single isolated autaptic neurons using micropatterned substrates2019

    • Author(s)
      H. Takahashi, K. Sato, S. Oguma, T. Hayakawa, K. Hattori, H. Yamamoto, A Hirano-Iwata, T. Tanii
    • Organizer
      4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development (iLIM-4)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 微細加工基板を用いた神経回路ダイナミクスの in vitro 制御2019

    • Author(s)
      山本英明,守谷 哲,井手克哉,早川岳志,秋間学尚,佐藤茂雄,久保田 繁,谷井孝至,Sara Teller,Jordi Soriano,平野愛弓
    • Organizer
      2019年日本表面真空学会学術講演会
  • [Presentation] Controlling structure and function of neuronal networks in 2D using microcontact-printed protein scaffolds2019

    • Author(s)
      H. Yamamoto, K. Wakimura, Z. Chen, T. Sumi, T. Takemuro, T. Tanii, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      Okinawa Colloids 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ultrasoft silicone gel as a biomimetic culture scaffold for cortical neurons2019

    • Author(s)
      H. Yamamoto, T. Sumi, L. Grob, B. Wolfrum, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      13th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2019)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Impact of spontaneous activation of stretch-activated channels on the generation and size of neuronal network activity2019

    • Author(s)
      T. Sumi, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata
    • Organizer
      13th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Time-series information processing in cultured neuronal network models2019

    • Author(s)
      S. Moriya, H. Yamamoto, Z. Chen, K. Wakimura, A. Hirano-Iwata, S. Kubota, S. Sato
    • Organizer
      The 2019 International Symposium on Nonlinear Theory and its Applications (NOLTA2019)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Microfabrication technologies for engineering the structure and function of biological neuronal networks2019

    • Author(s)
      H. Yamamoto
    • Organizer
      International Workshop of Emerging Technologies for Brainware LSI and its Applications
    • Int'l Joint Research
  • [Book] 百科繚覧 VOL.22020

    • Author(s)
      東北大学学際科学フロンティア研究所「百科繚覧」編集委員会
    • Total Pages
      160
    • Publisher
      東北大学出版会
    • ISBN
      978-4-86163-329-4

URL: 

Published: 2021-12-27  

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