Development and application of X-ray optogenetics of low dose and low invasiveness

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K22680
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0704:Neuroscience, brain sciences, and related fields
• Research Institution: Fujita Health University (2021); Nagoya University (2020)
• Principal Investigator: Matsubara Takanori 藤田医科大学, 医学部, 助教 (50884475)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: 光遺伝学 / X線 / シンチレータ / ドーパミン神経

Outline of Final Research Achievements

We developed deep brain wireless and fiberless optogenetic tools using X-rays with high biological permeability and a scintillator (Ce: GAGG) that can convert X-rays to visible light (Matsubara et al., Nat. Communi. 2021). By injecting scintillators around opsin-expressing neurons, we have succeeded in inducing neural activity and neuron-specific behavior by X-irradiation. Using highly light-sensitive opsins, particle scintillators, and pulsed X-ray irradiation, we reduced the invasiveness to brain tissue and the radiation dose of X-rays. This tool is expected to be useful for various basic research and clinical treatments.

Free Research Field

神経科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

光遺伝学は、光感受性タンパク質を特定の細胞に発現させ、可視光を用いて神経活動を自由に操作できる方法である。しかしながら、可視光の生体透過性は極めて低いため、目的部位が深部の場合は光ファイバーを脳内に挿入する必要があり、脳組織の侵襲や行動制限を伴う。生体透過性が極めて高いX線を用いることで、それらの問題点を解決することができる。また、X線の特性から大型の実験動物や鳥類、霊長類にも応用可能である。従って、この技術は制限のない状態で動物の行動観察や神経活動操作を可能にし、神経科学の研究を広く進展させることができる。