情報通信技術を応用した光学的大規模膜電位計測法の開拓
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21H02437
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 43040:Biophysics-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
三上 秀治 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (60754976)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2021: ¥14,430,000 (Direct Cost: ¥11,100,000、Indirect Cost: ¥3,330,000)
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| Keywords | 高速イメージング / 蛍光顕微鏡 / 多光子顕微鏡 / 二光子顕微鏡 / 膜電位イメージング |
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| Outline of Research at the Start |
ここ数年で良好な膜電位応答性蛍光タンパク質が登場し、光学的イメージングにより神経細胞の膜電位ダイナミクスを直接観察することが可能になった。しかしながら膜電位計測の大規模化には、イメージングに用いる素子の性能限界と手法そのもののスケーラビリティの欠如により困難が伴う。そこで本研究では画像から膜電位を取得するという既成概念を根本的に見直し、情報通信技術の応用により光学的膜電位計測の効率を飛躍的に高め、かつスケーラビリティを有する手法を開発し、大規模膜電位計測への道を拓く。具体的には、周波数分割多重、時分割多重、多チャネル検出などの情報通信分野の技術に基づく装置を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度はまず、独自設計・製作した多光子顕微鏡を用いて蛍光ビーズあるいは生体試料を用いた撮像実験を行った。本実験では、理論計算や数値シミュレーションでは推定が困難な実際の蛍光信号レベルを測定するとともに、装置構成部品の不完全さによる収差の影響などを評価することを目的とする。実験では神経系に蛍光タンパク質を発現した線虫を用い、麻酔により不動化したものを用いた。取得データは多点同時検出の際のパラメータ設定に用いることとした。さらに、これまでの検討結果に基づき、最適な多点同時検出方式を決定した。具体的な方式としては時分割多重方式を採用し、現在利用可能なレーザー光源および光制御デバイスを用いて、従来の多点検出方式よりも1桁以上高速な、1 MHzを上回る計測頻度が達成されることが見出された。また、本方式に基づき、線虫およびマウスの脳のニューロンを想定して数値シミュレーションを実施し、それぞれの場合の計測頻度を見積もった。いずれの場合も、適切な光変調デバイスを選択することで従来の研究で達成されている最大の計測頻度を上回る見込みを得た。ここで、従来達成されている計測頻度はいずれもイメージングをもとに行われているものであり、同一の計測頻度であっても多点同時検出方式は計測対象の生体に照射するレーザーの光を大幅に抑えることができ、生体へのダメージが抑制される利点が生じる。本研究に見出された多点同時検出方式は、膜電位計測のみならず、生体内で生じる高速なダイナミクスをとらえる手法として様々な分野での応用展開が期待される。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(11 results)
