2021 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of Neurophotonics and Elucidation of Brain Functions
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20H05669
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| Research Institution | Center for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences |
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Principal Investigator |
根本 知己 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 教授 (50291084)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
榎木 亮介 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, 生命創成探究センター, 准教授 (00528341)
大友 康平 順天堂大学, 医学研究科, 准教授 (40547204)
横山 弘之 東北大学, 未来科学技術共同研究センター, 教授 (60344727)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| Keywords | バイオイメージング / 高機能レーザー / 光脳科学 / 神経生理学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに培った技術基盤を統合発展させて、以下の３点を中心に研究開発を推進した。
① 生きたままの動物の中での超解像イメージング：生体脳深部での深部到達性、時空間分解能の向上や超解像イメージングの実現による神経活動のライブイメージングを実現する2光子ナノスコープの高度化
② 臓器的な構造を保ったままでの生理機能の3次元高速イメージング：光の伝搬を自在に操作する技術と超高速画像取得技術を駆使した新規二光子光ニードル顕微鏡による体積イメージングの確立
③ 神経伝達機能の分子基盤の解明：神経伝達や開口放出における分子機構の解明を目指したナノメーター機能解析法の確立
その結果、二光子ナノスコピーの空間分解能の向上に成功し、特に厚い標本への適用を試み100nmを切る空間分解能の向上に成功し、Thy1-H-YFP-lineマウス（H-lineマウス）の海馬固定スライス標本の深部において、蛍光抗体染色法を用い樹状突起スパインの超解像観察に成功した。また、対物レンズの焦点位置において軸性方向に光強度が長距離に分布する光ニードルを発生させ、高速体積イメージングを実現した。この結果、100μmを越える長さの光ニードルの形成に成功し、約300μmの被写界深度を実現した。さらに蛍光Ca2+インジケーターを発現するモデルマウスを新たに導入し、神経活動の高速体積イメージングに成功した。また、補償光学や新規ナノ材料を用いた生体脳イメージングの高度化に成功した。また、独自の利得スイッチング半導体レーザー（GS-LD）をベースに、主要な蛍光タンパク質を二光子励起できる多波長のピコ秒パルス光源およびそれとタイミング同期可能な多波長のサブナノ秒光源の実現を図った。また、上記光源の開発過程で、誘導ラマン効果を起点とするスーパーコンティウム光発生における強度やタイミングの揺らぎに関する新奇な実験データも得ることができた。
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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
研究項目として掲げた二光子ナノスコープの構築、二光子光ニードル顕微鏡を用いた超高速in vivoイメージング法については、それぞれ当初の目標を実現し、非線形光学を活用した生体光イメージングの高機能化に成功した。新規蛍光分子プローブの研究開発、各種モデルマウスの導入にも成功した。これらの研究成果は、広視野、高深度、超解像のライブイメージングの実現への確実な客観的な根拠であり、神経疾患の八挺基盤の分子基盤の研究やがん、臨床的な応用への応用の可能性を十分に示したものである。また我々のイメージング手法は生体リズム、冬眠などの、予想もしていなかった研究分野への応用可能性が示され、想定を超えた研究の発展、展開が期待されるものである
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| Strategy for Future Research Activity |
研究項目（1）マウス生体脳における神経活動・分泌のin vivo イメージング法の確立
前年度までの成果に基づき、二光子ナノスコープによる神経活動・分泌のin vivoイメージング法を完成させる。麻酔下のマウスに頭蓋骨窓を作成するオープンスカル法を用いて、大脳皮質や海馬で、神経活動のin vivo イメージングを実施する。特に、活動する神経細胞におけるシナプス前終末、シナプス後部、樹状突起スパインなどの微細構造の変化と神経伝達物質の開口放出の可視化解析を実施する。この際、超長作動距離の対物レンズや励起波長の長波長化に伴う空間分解能の劣化を波面操作により抑制する。最終的には、大脳の2 mm 以上の深部到達度と100 nm の空間分解能を目指す。また、二光子光ニードル顕微鏡との併用により、同一の観察対象に対して、神経活動を広範囲で高速イメージングした上で超微細形態の超解像イメージングを実施する手法の検討を行う。
研究項目（2）新規小型高機能光源の研究開発（継続）
研究分担者の東北大グループは令和4年3月16日に福島県沖地震の被災をしており、測定器機器の故障等ついての対応を図る。前半期の成果に継続して、波長選択可能なピコ秒光源を、GFP、YFP、RFP等の主要な蛍光タンパク質の二光子励起に対応できるように完成度を高める。また、1.55μm帯ピコ秒光源による３光子励起の可能性についてもさらに検討を深める。それ以降は、新型コロナウイルス感染症の影響でSC光を発生させるためのキーコンポーネント（PCF等）の良品の入手が難しくなっている状況を考慮して、SC光を用いずにGS-LDの増幅で対応できる方策を講じる。具体的には、波長帯1μm未満の高性能LDの開発を進める。
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Research Products
(44 results)
