2019 Fiscal Year Annual Research Report
Establishment of a methodology to control brain functions using X-ray
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19H03533
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
山下 貴之 名古屋大学, 環境医学研究所, 准教授 (40466321)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柳田 健之 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20517669)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光遺伝学 / マウス / X線 / ドーパミン / オプシン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
自由行動中の動物において深部脳細胞を効率よく体外から遠隔操作することは未だ困難であり、新しい手法の開発が待たれている。我々は生体組織を透過するX線を可視光へと変換する発光素材である無機シンチレータを用いた神経活動の遠隔操作技術を独自に開発してきた。現在までに黄色発光シンチレータ結晶の発光により効率よく開口する光感受性イオンチャネルをスクリーニングにより同定し、シンチレータ棒状結晶を脳内に埋め込んだ生体マウスにおいてX線照射による脳深部機能操作と行動変化の誘導に成功している。しかしながら、行動実験中のX線被爆や埋め込むシンチレータ結晶による組織侵襲が大きく、手法の改善が求められた。シンチレータ結晶はサイズが小さくなると放出光量が減るため、光感度の高いオプシン（ChRmine）を新たに導入し、培養細胞系で従来より低強度のシンチレーション光によりChRmineが活性化することを確認した。ついで、粒子化したシンチレータ結晶をマウス脳内に注入し、X線照射したところ、結晶注入部位付近のChRmine発現細胞の活性化が誘導された。一方、シンチレーター粒子注入部位の炎症反応は従来法で使われる光ファイバーの埋め込み部位に比べ非常に程度が低いことが明らかとなった。さらに、行動実験中のX線照射量を減らすため、鉛板プロペラを作成し、10 Hz程度のX線パルス照射を可能とし、1Gy以下のX線照射量によりマウスの行動変化が誘発できることを証明しつつある。
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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
シンチレーター粒子による発光は強度が低く、それによりオプシンを活性化することは難しいと当初考えられたものの、新たに発見されたChRmineをいち早く取り入れることで、シンチレーター粒子による神経操作が可能となった。また、使用しているX線照射装置は小型であり、自作の鉛板プロペラと行動実験が両立するかは不透明であったが試行錯誤により成功している。以上のように非常に挑戦的な課題が単年度内に解決することは予想しておらず、計画以上に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度までに構築したパルス照射X線を用いた極低侵襲な脳深部操作法をについて原著論文としてできるだけ早く発表するべく、観察数の増大を急ぐ。続いて、黄色発光シンチレーターのみならず、青色発光シンチレーターを導入し、様々な光遺伝学ツール（ステップファンクションオプシンなど）への本手法の適用を試みる。また、イオンチャネル型以外の光操作ツール（特に、光照射によるゲノム編集）への適用を試みる。
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