| Project/Area Number |
22KK0100
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
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| Research Institution | Nagoya City University |
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Principal Investigator |
木村 幸太郎 名古屋市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (20370116)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武石 明佳 国立研究開発法人理化学研究所, 脳神経科学研究センター, 理研白眉研究チームリーダー (30862007)
大友 康平 順天堂大学, 大学院医学研究科, 先任准教授 (40547204)
堤 元佐 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(機構直轄研究施設), 生命創成探究センター, 特任助教 (60782422)
高橋 光規 山梨大学, 大学院総合研究部, 助教 (30788922)
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| Project Period (FY) |
2022-10-07 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥20,020,000 (Direct Cost: ¥15,400,000、Indirect Cost: ¥4,620,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2023: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
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| Keywords | イメージング / カルシウムイメージング / 高速三次元イメージング / 自動追跡 / 線虫C. エレガンス |
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| Outline of Research at the Start |
脳研究は現代生命科学における一大重要分野であるが、脳の動作原理の詳細は不明な点が多い。本研究では、米国コロンビア大学・Hillmanらが開発した超高速三次元イメージングシステムSCAPEと、研究代表者・木村の自動追跡型ロボット顕微鏡OSBを統合し、線虫C. エレガンスの脳全体の神経細胞活動と行動を網羅的かつ自動的に計測する世界で唯一の自動追跡型超高速三次元イメージングロボット顕微鏡を開発する。これにより、線虫の刺激応答行動やその学習に関わる重要な神経細胞活動の伝達経路を解明し、脳の基本的動作原理の理解につなげる。また本研究成果を新たな生体深部高速イメージング技術の開発に発展させる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
脳研究は現代生命科学における一大重要分野であるが、脳の動作原理の詳細は不明な点が多い。本研究では、米国コロンビア大学・ヒルマン教授らが開発した超高速三次元イメージング顕微鏡（SCAPEシステム）と、研究代表者・木村の自動追跡型ロボット顕微鏡を統合し、モデル動物・線虫C. エレガンスの脳全体の神経細胞活動と行動を網羅的かつ自動的に計測する世界で唯一の自動追跡型超高速三次元イメージングロボット顕微鏡を開発することを目指している。これにより、脳機能に重要な活動カスケードの全体像を世界で初めて解明することが可能になる。本研究で確立した手法をさらに発展させることで、カルシウムイメージング・高密度神経プローブ・機能的MRIなどによって高等動物やヒトの脳から得られた大規模神経活動データから重要な神経活動伝達経路を正確に推定する技術の開発にも貢献できる。
当該年度においてSCAPEシステムの検討をさらに進めた結果、基本設計は優れている一方で、運用面の細部において複数の問題が明らかになった。並行して代替システムの検討を行った結果、ライトフィールド顕微鏡システム（以下「LFMシステム」）が候補に上がった。そこで同システムの検討を進めていた分担者・高橋との共同研究を開始した。既に報告されているLFMシステムに対して独自の改良を進める事で、速度・解像度共にSCAPEシステムを上回る性能を実現しつつある。
なお、研究代表者が所有する自動追跡顕微鏡ステージに一時的なトラブルが発生したが、現在はすでに解消されている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
1. 超高速三次元イメージングと自動追跡顕微鏡ステージとの統合：上述のように、SCAPEシステムは基本設計は優れているものの、実際の運用にかかわる細部において問題がいくつか存在する事が明らかになった。SCAPEシステムは現在でも注目を集めている先端的な光学系であるが、本プロジェクトに関しては必ずしも最適でないことがこの時点で明らかになった。そこで、分担者・高橋とLFMシステムの共同研究を開始した。既に報告されているLFMシステムに対してハードウェアおよびソフトウェアレベルの独自の改良を進める事で、速度・解像度共にSCAPEシステムを超える性能が達成されつつある。なお、以上の過程において分担者・大友および堤とも議論や技術的な検討を行った。
2. アリーナ型のマイクロ流体装置：行動中の線虫の脳全体の神経活動を上記システムで高倍率で計測するためには、専用のマイクロ流体装置を用いる必要がある。分担者・高橋との共同研究として、木村Gにマイクロ流体装置を作成するための機材一式を導入した。これにより、外注すると高価な線虫行動用マイクロ流体装置を安価に作成できるようになった。
3.感覚刺激に対する全脳神経活動と行動を結ぶ活動カスケード：拘束下の線虫に対して、刺激に対する全脳神経活動を計測した。さらに全脳神経活動を数理モデル化して解析を行った結果、重要な活動を示す神経細胞群を客観的に抽出する事が可能になった。なお、分担者・武石とも議論や技術的な検討を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 超高速三次元イメージングと自動追跡顕微鏡ステージとの統合：主に分担者・高橋との共同研究として、代表者・木村の研究室にLFMシステムを導入している。近日中に完成する予定であるので、自動追跡顕微鏡ステージと組み合わせて、マイクロ流体装置中の線虫の全脳神経活動を計測する。実際に運用を始めれば、LFMシステムのハードウェア、マイクロ流体装置、得られたデータの処理にはさまざまな最適化が必要になると予想されるが、これまでの経験から問題の解決は可能であると考えている。
2. 感覚刺激に対する全脳神経活動と行動を結ぶ活動カスケード：これまでの研究から、拘束下の線虫において電気刺激に対して重要な活動を示す神経細胞を数理モデルから推定する事ができた。今後はこれら推定された神経細胞の機能的重要性を実験的に検証することを目指す。具体的には、推定された神経細胞にヒスタミンによって開口する陰イオンチャネル (HisCl)を発現させた形質転換株を作製し、この線虫にヒスタミンを添加して電気応答行動に異常が生じれば実際に重要な神経細胞である事が証明できる。逆に光刺激によって開口する陽イオンチャネルChRを用いることもできる。
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