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興奮/抑制バランスを制御した培養神経回路によるてんかん発作発生機構の解明

研究課題

研究課題/領域番号 19H04437
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90110:生体医工学関連
研究機関東京大学

研究代表者

神保 泰彦  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20372401)

研究分担者 榛葉 健太  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (80792655)
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
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2021年度: 5,200千円 (直接経費: 4,000千円、間接経費: 1,200千円)
2020年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2019年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円)
キーワード脳神経 / 細胞・組織 / 神経工学 / 微小電極アレイ / 脳・神経 / 脳神経疾患 / シグナル伝達 / ナノバイオ
研究開始時の研究の概要

生涯に一度はてんかん発作を発症する割合は世界人口の1 %,そのうち1/3が難治性に移行するとされている.現行の抗てんかん薬開発は,発生した発作の抑制を目指しており,最初の発作が発生することを防ぐ視点からの研究はほとんど行われていない.本研究では「興奮性/抑制性の不均衡が生じることがてんかん発作を生じる本質である」という考え方に基づき,興奮性/抑制性バランスを人為的に制御した神経回路をin vitro系に構成し,てんかん発作を生じる臨界条件の解明を目指す.てんかん発作につながる本質的な要素を神経回路,神経細胞,シナプス,受容体それぞれのレベルで明らかにすることを目的とする.

研究成果の概要

てんかん発作の発生における“final common path”と考えられている興奮性/抑制性(Excitatory/Inhibitory; EI)の不均衡に焦点を当て,iPS細胞を神経系に分化誘導する際の操作により興奮性/抑制性細胞の比率を制御した培養神経回路を調整,電極アレイ基板を利用して自発活動を観測した.同期バースト活動の特性がEI比率によって異なり,培養日数の経過と共にその差異が小さくなる方向に変化する,GABAA受容体に対するantagonistであるbicuculline投与による抑制性シナプス結合阻害の効果が時間経過と共に減弱する等,恒常的可塑性の関与を示唆する結果が得られた.

研究成果の学術的意義や社会的意義

EIバランスと神経回路活動の関係は,興奮性/抑制性シナプス結合の数とその強度によって制御されるが,電気刺激等人工的な手法で誘起されるシナプス活動と本来の感覚入力に対して活性化されるシナプスは異なる,興奮性シナプス,抑制性シナプス,そのサブタイプそれぞれにおいて可塑性のメカニズムが異なるなど関係する要素は多岐にわたる.本研究では恒常性を維持する可塑性の関与を示唆する結果が得られた.今後は,シナプス-ニューロン-神経回路という階層構造各段階における制御機構,その背景となる可塑性の作用を統合した研究の遂行により,てんかん発作を生じるメカニズム解明に向けた知見が得られることが期待できる.

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

    (12件)

すべて 2022 2021 2020 2019

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] bserving Cell Assemblies From Spike Train Recordings Based on the Biological Basis of Synaptic Connectivity2022

    • 著者名/発表者名
      Asahina T., Shimba K., Kotani K., Jimbo Y.
    • 雑誌名

      IEEE Trans. BME

      巻: 69 号: 4 ページ: 1524-1532

    • DOI

      10.1109/tbme.2021.3123958

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 高密度電極アレイを用いた培養神経回路網における時間符号化メカニズムの検討2022

    • 著者名/発表者名
      古川拓磨, 張智翔, 朝比奈昂洋, 榛葉健太, 小谷潔, 神保泰彦
    • 学会等名
      電気学会医用・生体工学研究会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Development and time interval learning of hippocampal-cortical co-culture model in vitro2021

    • 著者名/発表者名
      Chang C. H., Shimba K., Asahina T., Kotani K., Jimbo Y.
    • 学会等名
      Neuroscience 2021, SfN 50th Annual meeting
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 高密度電極アレイによる恒常的可塑性評価の試み2021

    • 著者名/発表者名
      古川拓磨,榛葉健太,朝比奈昂洋,小谷潔,神保泰彦
    • 学会等名
      2021年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Spontaneous Network Activity differs by Excitation-Inhibition Ratio Using Induced Pluripotent Stem Cells Derived Cortical Neurons2021

    • 著者名/発表者名
      Chen S., Shimba K., Chang C. H., Kotani K., Jimbo Y.
    • 学会等名
      電気学会 医用・生体工学研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 培養神経回路網における発火の共起性に基づく神経細胞のクラスタリング2021

    • 著者名/発表者名
      古川,榛葉,朝比奈,小谷,神保
    • 学会等名
      電気学会 医用・生体工学研究会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 神経幹細胞追加播種による成熟神経回路網の電気活動変化の解析2020

    • 著者名/発表者名
      森谷,榛葉,小谷,神保
    • 学会等名
      第19回日本再生医療学会総会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] Disrupted Pattern Separation of Neuronal Network by Increasing the Number of Newborn Neurons Excessively2020

    • 著者名/発表者名
      Moriya F., Shimba K., Kotani K., Jimbo Y.
    • 学会等名
      EMBC2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Change in Evoked Response of Mature Neuronal Network to Spatial Pattern Stimulation by Immature Neurons2019

    • 著者名/発表者名
      Moriya F., Shimba K., Kotani K., Jimbo Y.
    • 学会等名
      EMBC2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 微小電極アレイを用いた軸索伝導計測による神経細胞の機能評価2019

    • 著者名/発表者名
      榛葉,朝比奈,酒井,小谷,神保
    • 学会等名
      電気学会電子情報システム部門大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] 未熟神経細胞の海馬培養神経回路網への介入が電気刺激による訓練効果に与える変化2019

    • 著者名/発表者名
      森谷,榛葉,小谷,神保
    • 学会等名
      電気学会電子情報システム部門大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] マイクロデバイスによる神経細胞の軸索に発現したNaチャネルの機能評価2019

    • 著者名/発表者名
      榛葉,酒井,小谷,神保
    • 学会等名
      第58回日本生体医工学会大会
    • 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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