高速走査型光刺激装置の開発

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26560456
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 中井 淳一 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (80237198)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 光遺伝学 / 多光子励起 / 高速走査 / KTNスキャナー

Outline of Annual Research Achievements

近年チャネルロドプシン等の光感受性機能分子が応用され、神経回路の研究に大きく寄与するようになってきた。光感受性機能分子の光活性化にはレーザーのピンポイント照射、面照射・多点照射などがある。特に脳深部の細胞単位またはシナプスレベルでの局所の光活性化にはピンポイント照射による必要がある。そこで本研究では光感受性機能分子をピンポイントで励起するための光刺激装置を開発した。特に本研究では最近開発されたタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)結晶を使用した高速XYスキャナー（KTNスキャナー）を用いて高速で刺激用レーザー光をXY移動制御可能な光刺激装置の開発を行なった。光刺激用レーザーとしてフェムト秒超短パルスレーザーChameleon Vision　II（コヒーレントジャパン）を用い、KTNスキャナーには（NTTアドバンストテクノロジ）を用い、サンプルとして蛍光分子fluoresceinを用い、XYスキャンにより二光子励起による蛍光を観察した。その結果、KTNスキャナーを用いた世界初の多光子光刺激装置の開発に成功した。光刺激の際の光照射位置のXY移動が従来技術であるガルバノスキャナーによる方法より10倍以上高速化された。本研究成果は光操作技術を進歩させるもので、光を利用する脳科学や自然科学が飛躍的な前進が今後期待される。またレーザー技術は生物分野以外にレーザー加工機など工業分野、マイクロマシンや医療分野への利用が考えられ、今後幅広い分野への応用が期待される。

Research Products

• [Journal Article] JSAP1/JIP3 and JLP regulate kinesin-1-dependent axonal transport to prevent neuronal degeneration. (2015)
  • Author(s): Sato T, Ishikawa M, Mochizuki M, Ohta M, Ohkura M, Nakai J, Takamatsu N, Yoshioka K
  • Journal Title: Cell Death Differ Volume: - Pages: 印刷中
  • DOI: 10.1038/cdd.2014.207.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] RING finger protein 121 facilitates the degradation and membrane localization of voltage-gated sodium channels. (2015)
  • Author(s): Ogino K, Low SE, Yamada K, Saint-Amant L, Zhou W, Muto A, Asakawa K, Nakai J, Kawakami K, Kuwada JY, Hirata H
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. USA Volume: 112 Pages: 2859-2864
  • DOI: 10.1073/pnas.1414002112.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rational design of a novel high-affinity, ultrafast, red calcium indicator R-CaMP2. (2015)
  • Author(s): Inoue M, Takeuchi A, Horigane S, Ohkura M, Gengyo-Ando K, Fujii H, Kamijo S, Takemoto-Kimura S, Kano M, Nakai J, Kitamura K, Bito H
  • Journal Title: Nat. Methods Volume: 12 Pages: 64-70
  • DOI: 10.1038/nmeth.3185.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Mitochondrial Ca2+ uptake by the voltage-dependent anion channel 2 regulates cardiac rhythmicity. (2014)
  • Author(s): Shimizu H, Schredelseker J, Huang J, Lu K, Naghdi S, Lu F, Franklin S, Fiji HD, Wang K, Zhu H, Tian C, Lin B, Nakano H, Ehrlich A, Nakai J, Stieg AZ, Gimzewski JK, Nakano A, Goldhaber JI, Vondriska TM, Hajnoczky G, Kwon O, Chen JN.
  • Journal Title: Elife Volume: 4 Pages: 1-20
  • DOI: 10.7554/eLife.04801.
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reward-timing-dependent bidirectional modu- lation of cortical microcircuits during optical single neuron operant conditioning. (2014)
  • Author(s): Hira R, Ohkubo F, Masamizu Y, Ohkura M, Nakai J, Okada T, Matsuzaki M
  • Journal Title: Nat. Commun. Volume: 24 Pages: 5551
  • DOI: 10.1038/ncomms6551.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Excitation propagation in three-dimensional engineered hearts using decellularized extracellular matrix. (2014)
  • Author(s): Yasui H, Lee JK, Yoshida A, Yokoyama T, Nakanishi H, Miwa K, Naito AT, Oka T, Akazawa H, Nakai J, Miyagawa S, Sawa Y, Sakata Y, Komuro I
  • Journal Title: Biomaterials Volume: 35 Pages: 7839-7850
  • DOI: 10.1016/j.biomaterials.2014.05.080.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Toll-like receptor 9 protects non-immune cells from stress by modulating mitochondrial ATP synthesis through the inhibition of SERCA2. (2014)
  • Author(s): Shintani Y, Drexler HC, Kioka H, Terracciano CM, Coppen SR, Imamura H, Akao M, Nakai J, Wheeler AP, Higo S, Nakayama H, Takashima S, Yashiro K, Suzuki K
  • Journal Title: EMBO Rep Volume: 15 Pages: 438-445
  • DOI: 10.1002/embr.201337945.
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Large-scale imaging of subcellular calcium dynamics of cortical neurons with G-CaMP6-actin. (2014)
  • Author(s): Kobayashi C, Ohkura M, Nakai J, Matsuki N, Ikegaya Y, Sasaki T
  • Journal Title: Neuroreport Volume: 25 Pages: 501-506
  • DOI: 10.1097/WNR.0000000000000126.
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] A new transgenic mouse model revealed a role of astrocytic calcium in vivo (2015)
  • Author(s): Tanaka M, Shih P-Y, Gomi H, Yoshida T, Nakai J, Ando R, Furuichi T, Mikoshiba K, Samyanov A, Itohara S.
  • Organizer: 第88回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [Presentation] Rational design of a high-affinity, fast, red calcium indicator R-CaMP2. (2015)
  • Author(s): 井上昌俊、竹内敦也、堀金慎一郎、大倉正道、安藤恵子、藤井哉、上條諭志、竹本―木村さやか、狩野方伸、中井淳一、喜多村和郎、尾藤晴彦
  • Organizer: 第88回日本薬理学会年会
  • Place of Presentation: 名古屋国際会議場
  • Year and Date: 2015-03-18 – 2015-03-20
• [Presentation] 個体(線虫) レベルでの超多並列刺激応答モニターシステム (2014)
  • Author(s): 藤泰一、高橋尚也、安藤恵子、大倉正道、中井淳一、西垣功一
  • Organizer: 第３７回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [Presentation] 低分子量GTPase RAB-11の新規結合因子REI-1/REI-2は受精後のRAB-11再局在化を制御する (2014)
  • Author(s): 坂口愛沙、佐藤美由紀、安藤恵子、佐藤克哉、中井淳一、佐藤健
  • Organizer: 第３７回日本分子生物学会年会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-11-25 – 2014-11-27
• [Presentation] Imaging Deep-Layer Neuronal Activity in Mouse Barrel Cortex using 1040-nm Excitation of a Red Fluorescent Protein Calcium Indicator (2014)
  • Author(s): Carta S, Liu W, Sych Y, Voigt FF, Chen JL, Schneider B, Ohkura M, Nakai J, Helmchen F
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: Washington, DC USA
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] A comparative study of the two-photon performances of GCaMPs and GECOs (2014)
  • Author(s): Podor B, Zhao Y, Wu J, Hu Y-L, Ohkura M, Nakai J, Campbell R, Croll R, Fine A
  • Organizer: Neuroscience 2014
  • Place of Presentation: Washington, DC USA
  • Year and Date: 2014-11-15 – 2014-11-19
• [Presentation] Neuronal mechanisms of decision making in C. elegans olfactory behavior revealed by a highly integrated microscope system. (2014)
  • Author(s): Tanimoto Y, Yamazoe A, Fujita K, Kawazoe Y, Miyanishi Y, Yamazaki SJ, Gengyo-Ando K, Nakai J, Fei X, Iwasaki Y, Hashimoto K, Kimura K
  • Organizer: 第34回日本神経科学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-11-09 – 2014-11-13
• [Presentation] Single-neuron operant conditioning by two-photon imaging induces reward-timing-dependent modulation in cortical microcircuit. (2014)
  • Author(s): Hira R, Ohkubo F, Mazamizu Y, Ohkura M, Nakai J, Okada T, Matsuzaki M
  • Organizer: 第34回日本神経科学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-11-09 – 2014-11-13
• [Presentation] The top-down circuit for sensory perception in the cerebral cortex of the mouse. (2014)
  • Author(s): Manita S, Suzuki T, Homma C, Matsumoto T, Odagawa M, Yamada K, Ota K, Matsubara C, Inutsuka A, Sato M, Ohkura M, Yamanaka A, Yanagawa Y, Nakai J, Hayashi Y, Larkum ME, Murayama M
  • Organizer: 第34回日本神経科学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-11-09 – 2014-11-13
• [Presentation] Imaging of the neural circuit activities during retrieval of behavioral program for active avoidance in zebrafish. (2014)
  • Author(s): Kakinuma H, Aoki R, Aoki T, Yamazaki M, Shiraki T, Takahoko M, Eizumi K, Koide T, Yoshihara Y, Nakai J, Kawakami K, Okamoto H
  • Organizer: 第34回日本神経科学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-11-09 – 2014-11-13
• [Presentation] Visualization of cerebral cortical calcium dynamics by a transgenic mouse that express G-CaMP7 in neurons and glia. (2014)
  • Author(s): Monai H, Ohkura M, Tanaka M, Itohara S, Nakai J, Hirase H
  • Organizer: 第34回日本神経科学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-11-09 – 2014-11-13
• [Presentation] JSAP1 and JLP regulate kinesin-1-dependent axonal transport to prevent neuronal degeneration. (2014)
  • Author(s): Sato T, Ohkura M, Nakai J, Takamatsu N, Yoshioka K
  • Organizer: 第34回日本神経科学会大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-11-09 – 2014-11-13
• [Presentation] 蛍光カルシウムプローブ G-CaMP による in vivo カルシウムイメージング (2014)
  • Author(s): 中井淳一、大倉正道, 安藤恵子
  • Organizer: 第５８回日本薬学会関東支部大会
  • Place of Presentation: 昭和大学
  • Year and Date: 2014-10-04 – 2014-10-04
• [Presentation] ホヤ幼生の遊泳運動神経回路の構造と生理機能の解析 (2014)
  • Author(s): 堀江健生, 大倉正道, 日下部岳広, 中井淳一, 中川将司
  • Organizer: 日本動物学会第85回大会
  • Place of Presentation: 東北大学
  • Year and Date: 2014-09-11 – 2014-09-13
• [Presentation] 細胞触覚センサのための小型蛍光観察システムの開発 (2014)
  • Author(s): 民山浩輔, 清水正宏, 宮坂恒太, 小椋利彦, 中井淳一, 大倉正道, 細田耕
  • Organizer: 第32回日本ロボット学会学術講演会
  • Place of Presentation: 九州産業大学
  • Year and Date: 2014-09-04 – 2014-09-06
• [Book] Optical Imaging of Neocortical Dynamics, Neuromethods, vol. 85 (2014)
  • Author(s): Takata N., Shinohara Y., Ohkura M., Mishima T., Nakai J. & Hirase H.
  • Total Pages: 296(191-207)
  • Publisher: Springer Science Business Media
• [Remarks] 埼玉大学脳末梢科学研究センター
  • URL: http://subsi.saitama-u.ac.jp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] カルシウム指示遺伝子 (2014)
  • Inventor(s): 尾藤晴彦, 井上昌俊, 竹内敦也, 中井淳一, 大倉正道
  • Industrial Property Rights Holder: 尾藤晴彦, 井上昌俊, 竹内敦也, 中井淳一, 大倉正道
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2014-120828
  • Filing Date: 2014-06-11