Contribution of recurrent connections to the accuracy of binary classification problem in cultured neuronal circuits

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K19925
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 服部 晃平 早稲田大学, 理工学術院, 助手 (90822057)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: Neuron / Two Needle Electrodes / Selective Stimulation / LTspice

Outline of Annual Research Achievements

培養神経細胞回路への刺激に対する時空間的な活動パターンの実測と理論的解析を通して，ネットワーク中のリカレント接続が，提示された2クラス分類問題への判定精度をどのようにして高めるのかに迫る。具体的には，(1) 神経ネットワークへの任意の時空間刺激パターンの提示に向けて，マイクロパターン上の標的ニューロンに対する神経刺激の方法論を構築する第一段階と，(2) 培養神経回路を用いたリザバコンピューティングによる情報処理能力の評価を行う第二段階とからなる。
2020年度には，二本針電極を用いた神経細胞刺激手法の刺激選択性の調査を行い，第一段階の目標達成を試みた。具体的には，マイクロパターン上に構築した，リカレント接続（オータプス）を有する単一神経細胞回路の周辺に二本針電極を配置し，電気刺激を与えた。電極特性および刺激パターンが標準細胞に与える影響が実験と理論の両面から調査された。結果，二本針電極は，標的細胞に電極を近接させたうえで約5Vp-p以上の双極方形波パルスを印加することで，標的細胞を再現性良く発火させることができ，少なくとも300 µmの空間分解能を有することが実験的に明らかになった。刺激提示後の標的ニューロンの自発発火頻度が上昇する傾向もみられ，電気刺激によって標的ニューロンの内部状態が可塑的に変化している可能性が確認できた。なお，電極先端部の金属露出部の実効面積が刺激の強度や選択性に影響する傾向も得られたが，定量的評価に関しては2021年度以降へと持ち越すこととした。一方，LTspiceを用いた理論解析により，電極先端部の電気二重層容量が刺激強度に強く影響すること，二本針をともに標的ニューロンに近接配置することで理論的には15 µmの空間分解能を達成できることが明らかになった。

Research Products

• [Journal Article] Selective Stimulation of a Target Neuron in Micropatterned Neuronal Circuits Using a Pair of Needle Electrodes (2021)
  • Author(s): HATTORI Kouhei、KURAKAKE Hekiru、IMAI Junko、HASHIMOTO Takuya、ISHIDA Mihoko、SATO Koki、TAKAHASHI Honoka、OGUMA Soichiro、YAMAMOTO Hideaki、HIRANO-IWATA Ayumi、TANII Takashi
  • Journal Title: Electrochemistry Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.5796/electrochemistry.21-00032
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Extracellular Stimulation of a Target Neuron in a Micropatterned Neuronal Circuit Using a Pair of Needle Electrodes (2020)
  • Author(s): K. Hattori, M. Ishida, H. Takahashi, S. Oguma, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
  • Organizer: The 9th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Extracellular Stimulation of a Target Neuron in Micro-Patterned Neuronal Circuits Using a Pair of Needle Electrodes (2020)
  • Author(s): K. Hattori, H. Kurakake, J. Imai, T. Hashimoto, M. Ishida, K. Sato, H. Takahashi, S. Oguma, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
  • Organizer: ECS PRiME 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An experimental study on the spontaneous firing of single isolated neurons in autaptic culture using micropatterned substrates (2020)
  • Author(s): K. Hattori, K. Sato, H. Takahashi, S. Oguma, M. Ishida, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
  • Organizer: The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Stimulation of micropatterned neurons with a pair of needles electrodes and the activity measurement (2020)
  • Author(s): J. Imai, H. Kurakake, T. Hashimoto, K. Hattori, K. Sato, H. Takahashi, S. Oguma, M. Ishida, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
  • Organizer: The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] マイクロパターン上の神経細胞回路中の標的ニューロンへの二本針電極を用いた選択的刺激 (2020)
  • Author(s): 小熊奏一郎，服部晃平，鞍掛碧流，今井絢子，山本英明，平野愛弓，谷井孝至
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] オータプス伝搬遅延によるSTDPシナプスの淘汰: 孤立した単一神経細胞に関する数理モデル化 (2020)
  • Author(s): 石田実穂子, 中西彬, 服部晃平, 山本英明, 平野愛弓, 谷井孝至
  • Organizer: 第30回日本神経回路学会全国大会
• [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, 石田実穂子, 鞍掛碧流, 今井絢子, 橋本拓弥, 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] マイクロパターン基板表面で培養した単一神経細胞の自発活動 (2020)
  • Author(s): 服部晃平, 石田実穂子, 髙橋穂乃歌, 佐藤晃揮, 中西彬, 小熊奏一郎, 早川岳志, 山本英明, 平野愛弓, 谷井孝至
  • Organizer: 学際・国際的高度人材育成ライフイノベーションマテリアル創製共同研究プロジェクト(6大学連携プロジェクト)第4回公開討論会