トポグラフィー制御技術に基づく生きた局所神経回路の構成的実験手法の確立

• Project/Area Number: 06J09849
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Biomedical engineering/Biological material science
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 森口 裕之 The University of Tokyo, 大学院・新領域創成科学研究科, 助教
• Project Period (FY): 2006 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥3,400,000 (Direct Cost: ¥3,400,000); Fiscal Year 2008: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2007: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2006: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: インクジェット / マイクロピペット / 小規模神経回路 / ニューロン / 自発発火 / 振動 / 細胞外計測 / 微小電極 / 自発活動 / 誘発活動 / 自己組織化 / スプレーパターニング / 可動式微小電極

Research Abstract

第3年度の研究では、「Ink-jet Printing」および「マイクロピペット描画法」を用いた新たな細胞アレイ作成法を開発した。本手法を神経系の細胞群に適用することで、実際に「小規模な神経回路」(構成細胞数が1個から数個の神経回路)のアレイ(小規模神経回路アレイ)が形成され、様々な細胞構成の神経回路が規則的に配列されていることを生かした神経回路活動のハイスループット計測が可能であることを示した。本技術は、「神経回路」という多数の要素が入り組んだ相互作用を行う系における、種々の構成要素(細胞)の性質とシステム全体(神経回路)の挙動の関係をマルチスケールの生体計測に基づいて実験的にアプローチするための実用的な実験系であると位置づけられる。
小規模な神経回路は、一枚の培養底面上に数百から数万個形成させることが可能である。これらの神経回路の多くにおいては、リズミックな自発発火と細胞内カルシウムレベルの振動が観察され、単一ニューロンのみからなる(アストロサイトなどのグリア細胞もいない)最小構成のオータプス神経回路においても、周期的な自発発火が生じ得ることが確認された。また、第1年度の研究で開発した可動式の金属微小電極を用いた細胞外の電圧パルス刺激に対しても、周波数と振幅の両面での減衰を伴う振動的な発火が数秒から数十秒間持続することを示す信号が観察された。本結果は、再帰的構造の神経回路ではニューロンの膜電位振動か自発的に生成され得ることを示唆しており、今後は、本実験系を用いた小規模神経回路活動の網羅的計測と解析を通して、機能的神経回路が自律的に形成されるプロセス、さらに、出来上がった神経回路が機能する仕組みを説明し理解していきたいと考えている。

Research Products

• [Journal Article] マイクロピペット描画法を用いた培養神経細胞のパターニング (2009)
  • Author(s): 後藤美穂, 森口裕之, 高山祐三, 小谷潔, 神保泰彦
  • Journal Title: 電気学会 電子・情報・システム部門誌 (印刷中(採択済))
  • NAID: 10025101125
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] スプレーパターニングと可動式微小電極による小規模神経回路の位置選択的自発活動計測 (2007)
  • Author(s): 森口 裕之, 玉井 暢洋, 高山 祐三, 倉島 利明, 神保 泰彦
  • Journal Title: 電気学会論文誌C (電子情報システム部門誌) 127 Pages: 1562-1567
  • NAID: 10019958273
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 時空間刺激による神経回路活動変化の誘導 (2007)
  • Author(s): 高山 祐三, 森口 裕之, 神保 泰彦
  • Journal Title: 電気学会論文誌C (電子情報システム部門誌) 127 Pages: 1619-1624
  • NAID: 10019958465
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] カオトロピックエッチング法による細胞培養用マイクロウェルの作成 (2007)
  • Author(s): 玉井 暢洋, 森口 裕之, 高山 祐三, 神保 泰彦, 鈴木 郁郎, 安田 賢二
  • Journal Title: 電気学会論文誌C (電子情報システム部門誌) 127 Pages: 1568-1574
  • NAID: 10019958299
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] マイクロチャネルアレイ構造を有した細胞間ネットワーク解析用デバイス (2007)
  • Author(s): 殿村 渉, 倉島 利明, 高山 祐三, 森口 裕之, 神保 泰彦, 小西 聡
  • Journal Title: 電気学会論文誌C (電子情報システム部門誌) 127 Pages: 1575-1580
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Photothermal Microneedle Etching : Improved Three-Dimensional Microfabrication Method for Agarose Gel for Topographical Control of Cultured Cell Communities (2006)
  • Author(s): Hiroyuki Moriguchi, Keji Yasuda
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Vol.45,No.30
• [Journal Article] スプレーパターニングと可動式微小電極による小規模神経回路の位置選択的自発活動計測
  • Author(s): 森口裕之, 玉井暢洋, 高山祐三, 倉島利明, 神保泰彦
  • Journal Title: 電気学会論文誌C(電子・情報・システム部門誌) (採択済み)
  • NAID: 10019958273
• [Presentation] 微小神経回路アレイのネットワーク活動の電気的・光学的計測 (2008)
  • Author(s): 森口裕之, 高山祐三, 小谷潔, 神保泰彦
  • Organizer: 平成20年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • Place of Presentation: 公立はこだて未来大学
  • Year and Date: 2008-08-21
• [Presentation] Site-selective Stimulation and Recording of the Electrical Activity of Cultured Neuronal Networks using Mobile Microelectrodes (2008)
  • Author(s): H.Moriguchi, N.Tamai, Y.Takayama, K.Kotani and Y.Jimbo
  • Organizer: International Symposium on Biological and Physiological Engineering
  • Place of Presentation: Harbin,中国
  • Year and Date: 2008-01-14
• [Presentation] Site-selective Recording of Electrical Activity from Cultured Neuronal Networks Composed of Small Numbers of Neurons using a Mobile Microelectrode and Spray-patterning Method (2007)
  • Author(s): H.Moriguchi, N.Tamai, Y.Takayama and Y.Jimbo
  • Organizer: The 2nd International Workshop on Approaches to Single-cell analysis
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2007-09-06
• [Presentation] Site-Selective Electrical Recording from Small Neuronal Circuits Using Spray Patterning Method and Mobile Microelectrodes (2007)
  • Author(s): H.Moriguchi, N.Tamai, Y.Takayama, Y.Jimbo
  • Organizer: The 3rd International IEEEE MBS Conferenceon Neural Engineering
  • Place of Presentation: Hawah,米国
  • Year and Date: 2007-05-03
• [Presentation] 可動式微小電極による培養細胞の電気的活動の位置選択的・非侵襲的計測法の開発 (2007)
  • Author(s): 森口 裕之, 玉井 暢洋, 高山 祐三, 倉島 利明, 神保 泰彦
  • Organizer: 第46回日本生体医工学会大会
  • Place of Presentation: 仙台国際センター
  • Year and Date: 2007-04-27
• [Book] 動物実験代替のためのバイオマテリアル・デバイス (2007)
  • Author(s): 神保 泰彦, 森口 裕之, 高山 祐三
  • Total Pages: 8
  • Publisher: CMC出版