Comprehensive measurement of dynamics changes during neuronal network development

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K15143
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 28040:Nanobioscience-related
• Research Institution: National Institute of Information and Communications Technology (2022); Osaka City University (2020-2021)
• Principal Investigator: Minoshima Wataru 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 研究員 (70802875)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 培養神経回路網 / 顕微蛍光イメージング / レーザー / 顕微鏡 / 光ピンセット / ラマン顕微鏡 / 微小電極アレイ

Outline of Final Research Achievements

In cultured neuronal networks, which are models of the brain nervous system, characteristic dynamic changes in action potentials that indicate development and maturation are observed. However, action potential changes are only an aspect of neuronal network dynamics, and changes in the molecular dynamics in the neurons remain unknown. In this study, we aim to comprehensively evaluate the dynamics changes that occur in neuronal networks by simultaneous measurement of neuronal electrical activity by using microelectrode array and manipulation of synaptic molecules by using optical tweezers.

Free Research Field

神経情報工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、分散培養された神経細胞ネットワークを対象に微小電極アレイによる細胞外電位多点測定と光ピンセットによる分子群ダイナミクス制御を同時に行い、神経細胞ネットワークの成熟に伴い変化する時空間ダイナミクスの評価を多角的に行った。結果として、光ピンセットで神経細胞シナプス領域に局在するシナプス小胞を光捕捉過程において神経活動の頻度が増加したことを明らかにし、ネットワーク全体の同期性が向上したことを明らかにした。本研究成果は、神経細胞ネットワークのダイナミクスを光ピンセットにより非接触・非破壊的に制御できたことを示す。