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X線を用いた脳機能操作法の確立

研究課題

研究課題/領域番号 19H03533
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 小区分51010:基盤脳科学関連
研究機関藤田医科大学 (2021)
名古屋大学 (2019-2020)

研究代表者

山下 貴之  藤田医科大学, 医学部, 教授 (40466321)

研究分担者 柳田 健之  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20517669)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)
2021年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2020年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2019年度: 9,100千円 (直接経費: 7,000千円、間接経費: 2,100千円)
キーワード光遺伝学 / X線 / シンチレータ / マウス / オプシン / ドーパミン / in vivo / 電気生理学 / 神経操作
研究開始時の研究の概要

自由行動中の動物において深部脳細胞を効率よく体外から遠隔操作することは未だ困難である。本研究では、これまで独自に開発を進めてきた、生体組織を透過するX線を可視光へと変換する発光素材である無機シンチレータを用いた神経活動の遠隔操作技術をより安全な実験系として確立することを目的とする。特に、被爆線量を最小限化する手法の開発を目指すとともに、手法の安全性・侵襲性・スケーラビリティについての改善策を検討する。

研究成果の概要

本研究では、生体を透過するX線を可視光に変換するシンチレータを組織に埋め込み、体外からのX線照射により組織内で発光させて周囲に発現させた光感受性タンパク質を活性化する手法(X線光遺伝学)の開発を試みた。その結果、無機シンチレータであるCe:GAGGとその発光に対応した光感受性タンパク質を組み合わせることで、X線を体外から照射することにより生体マウスの脳深部機能を遠隔的に操作できることが分かった。Ce:GAGG粒子は生体無害であり、また、臨床レベルの安全なX線照射量により脳深部機能操作が可能であった。以上から、X線光遺伝学は従来法より低侵襲な無線遠隔的細胞機能操作法であることが示された。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究により、X線照射によって行動中の動物の体内に埋め込んだシンチレータを発光させ、周囲に発現させた光感受性タンパク質を活性化できることが実証された。Ce:GAGGシンチレータ粒子は生体適合性が高く注射可能であり、顕著な細胞毒性もなく注射部位に長期間留まり、低侵襲な光操作ツールとして機能する。X線の組織への透過性がほぼ無限であることから、このX線光操作法は、サルやヒトを含めた大型動物にも適用できる可能性がある。また、光を用いたゲノム編集など他の光操作技術と組み合わせることで多岐に渡る応用展開が期待される。

報告書

(4件)
  • 2021 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (20件)

すべて 2022 2021 2020 2019 その他

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 1件、 招待講演 7件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Remote control of neural function by X-ray-induced scintillation2021

    • 著者名/発表者名
      Matsubara Takanori、Yanagida Takayuki、Kawaguchi Noriaki、Nakano Takashi、Yoshimoto Junichiro、Sezaki Maiko、Takizawa Hitoshi、Tsunoda Satoshi P.、Horigane Shin-ichiro、Ueda Shuhei、Takemoto-Kimura Sayaka、Kandori Hideki、Yamanaka Akihiro、Yamashita Takayuki
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 号: 1 ページ: 4478-4478

    • DOI

      10.1038/s41467-021-24717-1

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Downstream projection of Barrington’s nucleus to the spinal cord in mice2021

    • 著者名/発表者名
      Kawatani Masahiro、de Groat William C.、Itoi Keiichi、Uchida Katsuya、Sakimura Kenji、Yamanaka Akihiro、Yamashita Takayuki、Kawatani Masahito
    • 雑誌名

      Journal of Neurophysiology

      巻: 126 号: 6 ページ: 1959-1977

    • DOI

      10.1152/jn.00026.2021

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Remote Optogenetics Using Up/Down-Conversion Phosphors2021

    • 著者名/発表者名
      Matsubara Takanori、Yamashita Takayuki
    • 雑誌名

      Frontiers in Molecular Biosciences

      巻: 8 ページ: 771717-771717

    • DOI

      10.3389/fmolb.2021.771717

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Remote control of neural function by X-ray-induced scintillation2020

    • 著者名/発表者名
      Matsubara Takanori、Yanagida Takayuki、Kawaguchi Noriaki、Nakano Takashi、Yoshimoto Junichiro、Sezaki Maiko、Takizawa Hitoshi、Tsunoda Satoshi P.、Horigane Shin-ichiro、Ueda Shuhei、Takemoto-Kimura Sayaka、Kandori Hideki、Yamanaka Akihiro、Yamashita Takayuki
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: - ページ: 1-31

    • DOI

      10.1101/798702

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書 2019 実績報告書
    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Frequency-Dependent Block of Excitatory Neurotransmission by Isoflurane via Dual Presynaptic Mechanisms.2020

    • 著者名/発表者名
      Wang HY, Eguchi K, Yamashita T, Takahashi T.
    • 雑誌名

      Journal of Neuroscience

      巻: 40 号: 21 ページ: 4103-4115

    • DOI

      10.1523/jneurosci.2946-19.2020

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 脳深部の遠隔的光操作法2020

    • 著者名/発表者名
      山下 貴之
    • 雑誌名

      月刊「細胞」

      巻: 52 ページ: 63-66

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] X線を用いた神経回路操作法の開発と応用2022

    • 著者名/発表者名
      山下 貴之
    • 学会等名
      第70回 脳の医学・生物学研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] シンチレータの神経科学分野への応用2022

    • 著者名/発表者名
      山下 貴之
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] X-optogenetics and its application to deep tissue manipulation2021

    • 著者名/発表者名
      山下 貴之
    • 学会等名
      熊本大学 令和3年度医学・生命科学セミナー
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] X線光遺伝学の開発と応用可能性2021

    • 著者名/発表者名
      山下 貴之
    • 学会等名
      量子科学技術研究開発機構DOFI meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 神経科学におけるドーパミン濃度測定の意義2021

    • 著者名/発表者名
      山下 貴之
    • 学会等名
      電気化学会第88回大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] シンチレータ・マイクロ粒子を用いた遠隔的神経機能操作法の開発2020

    • 著者名/発表者名
      松原 崇紀 、柳田健之 、河口 範明 、中野 高志、瀬崎 真衣子、滝澤 仁、山中 章弘、山下 貴之
    • 学会等名
      第67回中部日本生理学会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Bidirectional remote control of deep neuron activities using X-rays2020

    • 著者名/発表者名
      松原 崇紀、柳田 健之、河口 範明、中野 高志、吉本 潤一郎、堀金 慎一郎、上田 修平、竹本-木村 さやか、山中 章弘、山下 貴之
    • 学会等名
      第97回日本生理学会大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] X線を用いた組織深部における無線・遠隔的光操作法の開発2019

    • 著者名/発表者名
      山下 貴之
    • 学会等名
      XFEL構造生物ミーティング
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Remote and wireless control of neuronal function using X-ray2019

    • 著者名/発表者名
      山下貴之
    • 学会等名
      第57回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Deep brain stimulation using X-rays2019

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Yamashita
    • 学会等名
      第11回光操作研究会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Remote control of neuronal populations by X-ray-induced scintillation2019

    • 著者名/発表者名
      松原 崇紀、柳田 健之、河口 範明、中野 高志、吉本 潤一郎、堀金 慎一郎、上田 修平、竹本-木村 さやか、山中 章弘、山下 貴之
    • 学会等名
      第42回日本神経科学大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [備考] 世界初!X線を体外より照射し可視光に変換 生体深部のタンパク質を遠隔操作する 光遺伝学新技術を開発

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/news/j93sdv000000atrs.html

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [備考] Light, Scintillator, Action! X-rays can ...

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/en/news/kka9ar0000001017.html

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [産業財産権] オプシンの活性を調節する方法2019

    • 発明者名
      山下 貴之、松原 崇紀、柳田 健之、河口 範明
    • 権利者名
      山下 貴之、松原 崇紀、柳田 健之、河口 範明
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2019-155659
    • 出願年月日
      2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

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公開日: 2019-04-18   更新日: 2023-01-30  

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