2021 Fiscal Year Research-status Report
Study on the mechanism of neuron cell activity induction and motion induction by ultrasound stimulation
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20K20642
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
高木 周 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30272371)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
関 和彦 国立研究開発法人国立精神・神経医療研究センター, 神経研究所 モデル動物開発研究部, 部長 (00226630)
神保 泰彦 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20372401)
榛葉 健太 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80792655)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 超音波 / 神経細胞 / 運動誘発 / 発火 / 数理モデル / マイクロバブル / 力学刺激 / 興奮伝播 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，超音波照射により神経細胞群に生じる集団的発火とラットの経頭蓋超音波照射により誘発される運動に関する実験を実施し，両者の関係を結びつけることにより，超音波照射のもたらす力学的刺激が脳神経系の活動及び生体の運動を誘発するメカニズムについて知見を得ることを目的とする．また，それらをシミュレーションにより再現する数理モデルを構築し，運動誘発の最適条件などを検討するためのツールを開発することを目指している．これまでのところ，基盤上に培養された神経細胞群に対して，超音波照射を行い，カルシウムイオンが放出される様子を再現することに成功している．さらに，低周波の超音波条件においては，より低周波な程，低強度の超音波によりカルシウムイオンの放出が生じることが確認されている．得られたデータと，従来の知見に照らし合わせると，この領域でのカルシウムイオンの放出を誘発しているのは，キャビテーション現象による可能性が高いと判断された．すなわち，低周波の超音波照射における低圧時に，細胞近傍で発泡現象が生じ，発泡したキャビテーション気泡が超音波音場の中で局所的に高圧部を形成することにより神経細胞が刺激を受けたと考えられる．また，より低周波の方がより低強度でカルシウムイオンの放出が生じた理由としては，キャビテーション気泡の発泡プロセスに時間的な遅れがあるため，ゆっくりとした時定数の低周波超音波の方がより低強度でもキャビテーション現象の誘発に繋がったと考えられる．今後はこの現象をさらに詳細に調べ，低強度でカルシウムイオンの放出を引き起こすための条件について調べていくのが重要となる．また，カルシウムイオンの放出だけでは，神経細胞の集団的発火が起きていることにはならないため，この部分についても調べて行くことが重要となる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
共同研究先の神保研にて，神経細胞の培養を行っているが，コロナ禍で密を避けるため，実験室入室の人数制限があり，予定したペースで実験用の培養細胞が用意できなかった，そのため実験の進捗が当初の予定より遅れている．
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| Strategy for Future Research Activity |
超音波照射により神経細胞が反応することは確認できたが，超音波の波長を考えると神経細胞一つが超音波刺激に対して応答しているとは考えづらい．すなわち，ネットワークを構成している神経細胞群が，細胞群全体として，超音波の刺激に応答していると考えられる．そのことを確認するために，異なるサイズで培養した神経細胞群を用意し，照射超音波の波長と神経細胞群の大きさの大小関係により，細胞の反応にどのような違いが生じるかを詳細に調べる．また超音波による圧力刺激を局在化させるために，血管造影用マイクロバブルを利用する．血管造影用マイクロバブルは，大きさ数ミクロン，固有振動数がMHｚ程度であるため，照射超音波に対して共振しやすく局所的に高い圧力場を構成することが可能である．したがって，マイクロバブルを神経細胞群の一部に局所的に注入し，その部位に向けて集束超音波を照射することにより，超音波そのものの波長が細胞スケールよりはるかに大きい場合においても，マイクロバブルの体積振動を介して，神経細胞レベルへの局所的な圧力刺激が可能となる．現在，この実験のための準備をしている．
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響で，神経細胞の培養を行う実験が予定通り遂行できず，超音波照射を行う実験に遅れが出ている．現在，ようやく元のスケジュールで実験が行われるようになり，新たに超音波照射システムを構築している．そのため，超音波実験関連の費用を次年度に回すこととなった．
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Research Products
(1 results)
