人工視覚への応用を目指した光による双方向情報伝達技術の創成

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22800044
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 小林 琢磨 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 研究員 (80582288)
• Keywords: CMOS / LSI / 脳内埋植 / 電位感受性色素 / 蛍光イメージング / 人工視覚

Research Abstract

本年度は試作したデバイスによる神経細胞の電位蛍光イメージング技術の確立を目指した。まずHEK293、PC12細胞を用いてon-chip細胞培養を行い、電位感受性蛍光指示薬のRH795による染色条件、high-K^+による細胞刺激手順、蛍光測定条件などを検討した。また光検出半導体素子アレイ上で長期細胞培養するための防水加工、細胞接着コート材の検討を行った。これらの検討をもとに測定用フィルタ透過特性の最適化、蛍光励起用LEDの波長変更を行うなど試作デバイスを改良した。改良した試作デバイス上で新生仔マウス大脳皮質より摘出した神経幹細胞の初代培養を行った。1ヶ月間培養して成熟、分化させた神経細胞で電位蛍光イメージ解析を行った。この結果、high-K^+刺激に応答した神経細胞の脱分極反応をリアルタイムでタイムラプスイメージングすることに成功した。次に試作したデバイスを用いて、マウス大脳皮質急性スライス組織で同様に電位蛍光イメージ解析を行い、刺激強度依存的な応答変化を検出した。またマウス生体脳視覚野領域にデバイスを埋植し、high-K+刺激、刺入電極からの電気刺激、またアトロピンで十分に散瞳させた眼から光刺激を与えて電位蛍光イメージ解析を行った。この際脳組織の染色条件、均一励起光照射のためのLED実装条件などの検討を行い、デバイスを改良して試作した。さらに頭骨と干渉しないようデバイス基板の外形加工、生体脳内へのデバイス埋植方法、長期留置のための術式などを改良することで適用した。また制御ボードの雑音低減と測定ソフトを改変して検出信号の最適化を行い一連のイメージングシステムを改良して再構築した。この結果、生体脳視覚野に埋植したデバイスによる神経細胞の電位蛍光イメージングが可能となった。また、既存技術では不可能な自由行動下マウスの左右視覚野を同時に測定するデュアルイメージングシステムを構築した。

Research Products

• [Journal Article] Implantable CMOS Image Sensors for Monitoring Brain Activities. (2011)
  • Author(s): Sasagawa K, Kobayashi T, Noda T, Tokuda T, Ohta J
  • Journal Title: Function & Materials Volume: 354;31(2) Pages: 24-32
• [Journal Article] Potentiometric Dye Imaging for Pheochromocytoma and Cortical Neurons with a Novel Measurement System Using an Integrated Complementary Metal-Oxide Semiconductor Imaging Device. (2010)
  • Author(s): Kobayashi T, Tagawa A, Noda T, Sasagawa K, Tokuda T, Hatanaka Y, Tamura H, Ishikawa Y, Shiosaka S, Ohta J.
  • Journal Title: Jpn.J.Appl.Phys. Volume: 49 Pages: 117001(1-7)
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 二色フィルタ搭載蛍光観察バイオメディカルフォトニックLSI (2011)
  • Author(s): Y. Sawadsaringkarn, 小林琢磨(他4名)
  • Organizer: 第58回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 神奈川工科大学
  • Year and Date: 2011-03-26
• [Presentation] CMOS-based Biomedical Photonic LSI (BpLSI) for dual-color on-chip bioimaging (2011)
  • Author(s): Yosmongkol Sawadsaringkarn, Takuma Kobayashi, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta
  • Organizer: M&RE6
  • Place of Presentation: 仙台国際センター
  • Year and Date: 2011-03-16
• [Presentation] 埋込型脳機能イメージングシステムの画質向上に関する研究 (2011)
  • Author(s): 水田裕樹, 田川礼人, 小林琢磨(他8名)
  • Organizer: 第9回関西学生研究論文講演会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2011-03-10
• [Presentation] 生体内蛍光イメージングの高解像度化に向けたライトガイドアレイ搭載CMOSセンサの開発 (2011)
  • Author(s): 種子田浩志, 水田裕樹, 田川礼人, 小林琢磨(他8名)
  • Organizer: 第9回関西学生研究論文講演会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2011-03-10
• [Presentation] In-vivo脳神経蛍光イメージング用ライトガイドアレイ搭載CMOSイメージセンサ (2011)
  • Author(s): 笹川清隆, 安藤圭祐, 種子田浩志, 水田裕樹, 田川礼人, 小林琢磨(他3名)
  • Organizer: 光エレクトロニクス研究会(信学技報)
  • Place of Presentation: 機械振興会館
  • Year and Date: 2011-03-04
• [Presentation] Potentiometric dye imaging for pheochromocytoma and cortical neurons with a novel complementary metal-oxide semiconductor imaging sensor. (2010)
  • Author(s): Kobayashi T, Tagawa A, Noda T, Sasagawa K, Tokuda T, Hatanaka Y, Tamura H, Ishikawa Y, Shiosaka S, Ohta J
  • Organizer: Neural Interfaces Conference
  • Place of Presentation: Long Beach Convention Center (CA, USA)
  • Year and Date: 20100621-20100623
• [Presentation] バイオメディカルフォトニックLSIによる神経細胞の電位イメージング (2010)
  • Author(s): 小林琢磨, 田川礼人, Yosmongkol Sawadsaringkarn, 野田俊彦, 笹川清隆, 徳田崇, 畠中由美子, 田村英紀, 石川保幸, 塩坂貞夫, 太田淳
  • Organizer: 第33回日本分子生物学会年会・第83回日本生化学会大会 合同大会(BMB2010)
  • Place of Presentation: 神戸ポートアイランド、国際会議場
  • Year and Date: 2010-12-07
• [Presentation] 脳機能計測用バイオメディカルフォトニックLSIの開発と機能評価 (2010)
  • Author(s): 野田俊彦, 小林琢磨(他6名)
  • Organizer: CREST「光・光量子科学技術の新展開」領域の第3回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 日本科学未来館
  • Year and Date: 2010-11-26
• [Presentation] BpLSIデバイスを用いた培養神経細胞、脳スライス、視覚野での電位感受性色素イメージング (2010)
  • Author(s): 小林琢磨, Yosmongkol Sawadsaringkarn, 田川礼人, 野田俊彦, 笹川清隆, 徳田崇, 畠中由美子, 田村英紀, 石川保幸, 塩坂貞夫, 太田淳
  • Organizer: 第3回センシングアーキテクトシンポジウム(ADIST2010)
  • Place of Presentation: 名古屋国際センター
  • Year and Date: 2010-10-21
• [Presentation] 脊椎動物の眼胞発生と背腹軸の役割 (2010)
  • Author(s): 荒木正介, 小林琢磨, 門脇由佳, 牛嶋一恵
  • Organizer: 第81回日本動物学会大会
  • Place of Presentation: 東京大学 駒場キャンパス
  • Year and Date: 2010-09-25
• [Presentation] バイオメディカルフォトニックLSIによる培養神経細胞のオンチップ電位感受性色素イメージング (2010)
  • Author(s): 小林琢磨, 田川礼人, Yosmongkol Sawadsaringkarn, 野田俊彦, 笹川清隆, 徳田崇, 畠中由美子, 田村英紀, 石川保幸, 塩坂貞夫, 太田淳
  • Organizer: 第25回生体・生理工学シンポジウム(BPES2010)
  • Place of Presentation: 岡山大学
  • Year and Date: 2010-09-24
• [Presentation] バイオメディカルフォトニックLSIによる生体脳視覚野における神経細胞の電位イメージング (2010)
  • Author(s): 小林琢磨(他10名)
  • Organizer: 第71回応用物理学会
  • Place of Presentation: 長崎大学
  • Year and Date: 2010-09-16
• [Presentation] Potentiometric dye imaging for cortical neurons with a novel measurement system using a implantable CMOS imaging device (2010)
  • Author(s): T. Kobayashi(他9名)
  • Organizer: Neuro 2010
  • Place of Presentation: 神戸コンベンションセンター
  • Year and Date: 2010-09-03
• [Presentation] 脳深層部機能計測用埋込型スマートCMOSイメージセンサ (2010)
  • Author(s): 田川礼人, 水田裕樹, 種子田浩志, 小林琢磨, 野田俊彦, 笹川清隆, 徳田崇, 太田淳
  • Organizer: 情報センシング研究会
  • Place of Presentation: 東京大学 本郷キャンパス
  • Year and Date: 2010-05-31
• [Presentation] 脳深部機能計測用マルチファンクショナルCMOSイメージセンサの開発 (2010)
  • Author(s): 田川礼人, 小林琢磨, 野田俊彦, 笹川清隆, 徳田崇, 太田淳
  • Organizer: 学術会議シンポジウム
  • Place of Presentation: 日本学術会議講堂
  • Year and Date: 2010-04-09
• [Remarks]
  • URL: http://mswebs.naist.jp/LABs/pdslab/index-j.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 生体光双方向情報交換システム及び該システムの制御方法 (2010)
  • Inventor(s): 小林琢磨、石川保幸、塩坂貞夫、太田淳
  • Industrial Property Rights Holder: 小林琢磨、石川保幸、塩坂貞夫、太田淳
  • Industrial Property Number: 特許、特願2010-245186
  • Filing Date: 2010-11-01