高密度ＣＭＯＳ電極による培養神経回路のネットワーク構造の解明

• 研究課題/領域番号: 23680050
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 医用生体工学・生体材料学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 高橋 宏知 東京大学, 先端科学技術研究センター, 講師 (90361518)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2014-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2013年度)
• 配分額: 27,430千円 (直接経費: 21,100千円、間接経費: 6,330千円); 2013年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円); 2012年度: 8,840千円 (直接経費: 6,800千円、間接経費: 2,040千円); 2011年度: 9,750千円 (直接経費: 7,500千円、間接経費: 2,250千円)
• キーワード: 神経細胞 / 脳 / ネットワーク / 培養 / 電極 / CMOS / 可塑性 / 神経回路 / 微小電極アレイ / カルシウムイメージング / 分散培養 / 活動電位

研究概要

神経細胞の分散培養系を対象として，1.8 mm角の計測領域に，11,011個の電極を有するCMOSアレイにより，培養神経ネットワークの形状と活動の関係を調べた．軸索に沿って伝播する活動電位の速度は，細胞内で大きくばらついており，軸索が太い部分では速く，細い部分では遅かった．また，ネットワークが成熟した後でも，発火頻度の低い神経細胞は活発に移動していることがわかった．さらに，軸索刺激に対する神経活動パターンから，ネットワークの機能結合を可視化し，ネットワークの可塑性を定量化する手法を確立した．

研究成果

• [雑誌論文] 成熟した培養神経回路のネットワーク形状と活動の経時変化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大川知,…,高橋宏知
  • 雑誌名: 電気学会論文誌Ｃ（電子・情報・システム部門誌） 巻: 134 号: 3 ページ: 338-344
  • DOI: 10.1541/ieejeiss.134.338
  • NAID: 130003391726
  • ISSN: 0385-4221, 1348-8155
• [雑誌論文] A light addressable electrode with a TiO2 nanocrystalline film for localized electrical stimulation of cultured neurons (2014)
  • 著者名/発表者名: Jun Suzurikawa, Masayuki Nakao, Yasuhiko Jimbo, Ryohei Kanzaki, Hirokazu Takahashi
  • 雑誌名: Sensors and Actuators: B. Chemical 巻: 192 ページ: 393-398
  • DOI: 10.1016/j.snb.2013.10.139
  • 査読あり
• [雑誌論文] 脳内の神経信号の伝播速度の実測 (2014)
  • 著者名/発表者名: 高橋宏知
  • 雑誌名: Ohm Bulletin（ブレテン） 巻: 49 (冬号) ページ: 8-9
• [雑誌論文] Tracking axonal action potential propagation on a high-density microelectrode array across hundreds of sites (2013)
  • 著者名/発表者名: DJ Bakkum, U Frey, M Radivojevic, TL Russell, J Müller, M Fiscella, H Takahashi, A Hierlemann
  • 雑誌名: Nature Communications 4: Art 巻: No. 2181 号: 1 ページ: 12-12
  • DOI: 10.1038/ncomms3181
• [雑誌論文] Parameters for burst detection (2013)
  • 著者名/発表者名: Douglas J. Bakkum, Milos Radivojevic, Urs Frey, Felix Franke, Andreas Hierlemann, Hirokazu Takahashi
  • 雑誌名: Frontiers in Computational Neuroscience 巻: 7
  • DOI: 10.3389/fncom.2013.00193
  • 査読あり
• [雑誌論文] Analysis of neuronal cells of dissociated primary culture on high-density CMOS electrode array (2013)
  • 著者名/発表者名: Eiko Matsuda, Takeshi Mita, Julien Hubert, Douglas Bakkum, Urs Frey, Andreas Hierlemann, Hirokazu Takahashi and Takashi Ikegami
  • 雑誌名: Proceedings of 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society 巻: - ページ: 1045-1048
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multiple Time Scales Observed in Spontaneously Evolved Neurons on High-density CMOS Electrode Array (2013)
  • 著者名/発表者名: Eiko Matsuda, Takeshi Mita, Julien Hubert, Mizuki Oka, Douglas Bakkum, Urs Frey, Hirokazu Takahashi and Takashi Ikegami
  • 雑誌名: Advances in Artificial Life, ECAL 2013 巻: - ページ: 1075-1082
  • 査読あり
• [雑誌論文] 培養神経回路に嗅覚受容体たんぱく質を遺伝子発現させた匂いセンサー (2013)
  • 著者名/発表者名: 高橋宏知
  • 雑誌名: AROMA RESEARCH 巻: 14 ページ: 352-353
• [雑誌論文] 神経工学の潮流 (2013)
  • 著者名/発表者名: 高橋宏知
  • 雑誌名: 電気学会論文誌C電子情報システム部門誌 巻: 133 ページ: 544-549
  • NAID: 10031155345
• [雑誌論文] Light-addressed single-neuron stimulation in dissociated neuronal cultures with sparse expression of ChR2 (2012)
  • 著者名/発表者名: H Takahashi,他
  • 雑誌名: Biosystems 巻: 107 (2) 号: 2 ページ: 106-112
  • DOI: 10.1016/j.biosystems.2011.10.002
• [雑誌論文] Dissociated neuronal culture expressing ionotropic odorant receptors as a hybrid odorant biosensor – proof-of-concept study – (2012)
  • 著者名/発表者名: Norio Tanada
  • 雑誌名: Analyst 巻: 137 号: 15 ページ: 3452-3458
  • DOI: 10.1039/c2an35058k
  • 査読あり
• [雑誌論文] Capabilities of a High-Density CMOS Microelectrode Array to Identify, Record, and Stimulate Individual Neurons in Cultured Networks (2012)
  • 著者名/発表者名: Douglas J Bakkum
  • 雑誌名: Proceedings of the 8th International Meeting on Substrate-Integrated Micro Electrode Arrays 巻: - ページ: 206-207
  • 査読あり
• [雑誌論文] Surface passivation of the thin-film LAPS with Perhydropolysilazane-derived Silica treated by O2 plasma (2011)
  • 著者名/発表者名: Jun Suzurikawa
  • 雑誌名: IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering 巻: 6 号: 4 ページ: 392-393
  • DOI: 10.1002/tee.20674
  • 査読あり
• [学会発表] 高密度CMOSアレイ上の分散培養系の自発および誘発神経活動パターンに基づく機能ネットワークの推定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 三田毅,…,高橋宏知
  • 学会等名: 電気学会研究会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-03-21
• [学会発表] 神経活動パターンの多様性の生成メカニズム
  • 著者名/発表者名: 高橋宏知
  • 学会等名: 第53回計測自動制御学会自律分散システム部会研究会
  • 発表場所: 大阪
  • 招待講演
• [学会発表] 高密度CMOSアレイ上の分散培養神経回路における抑制性神経細胞の電気生理学的特性
  • 著者名/発表者名: 三田毅，Douglas Bakkum，Urs Frey，Andreas Hierlemman，神崎亮平，高橋宏知
  • 学会等名: 平成25年電気学会 電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 北見
• [学会発表] 高密度CMOSアレイ上の分散培養系の自発および誘発神経活動パターンに基づく機能ネットワークの推定
  • 著者名/発表者名: 三田毅，石原裕也，Douglas Bakkum，Urs Frey，Andreas Hierlemann，神崎亮平，高橋宏知
  • 学会等名: 電気学会研究会資料 医用・生体工学研究会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] Electrical imaging of axon function
  • 著者名/発表者名: Douglas J. Bakkum, Urs Frey, Milos Radivojevic, Thomas L. Russell, Jan Muller, Michele Fiscella, Hirokazu Takahashi, Andreas Hierlemann
  • 学会等名: 3rd International Symposium on Frontiers in Neurophotonics International Symposium
  • 発表場所: Bordeaux, France
• [学会発表] 高密度CMOSアレイ上の神経回路網の解析へ向けた分散培養神経細胞の細胞体位置の推定及び手法
  • 著者名/発表者名: 三田毅，Douglas Bakkum，Urs Frey，Andreas Hierlemann，神崎亮平，高橋宏知
  • 学会等名: Neuro2013 (第36回日本神経科学大会）
  • 発表場所: 京都
• [学会発表] Local differences in axonal action potential conduction velocity
  • 著者名/発表者名: Douglas J. Bakkum, Urs Frey, Milos Radivojevic, Thomas L. Russell, Jan Müller, Hirokazu Takahashi, Andreas Hierlemann
  • 学会等名: Society for Neuroscience
  • 発表場所: San Diego, USA
• [学会発表] 成熟した培養神経回路のネットワーク形状と活動の経時変化
  • 著者名/発表者名: 大川知
  • 学会等名: 電気学会研究会資料 医用・生体工学研究会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] 高密度CMOSアレイ上培養神経細胞の細胞体位置の推定
  • 著者名/発表者名: 三田毅
  • 学会等名: 第27回生体生理工学シンポジウム
  • 発表場所: 札幌
• [学会発表] 高密度CMOSアレイの観測電位と神経細胞の生理学的特性
  • 著者名/発表者名: 三田毅
  • 学会等名: 平成24年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 弘前
• [学会発表] 高密度CMOSアレイ上での細胞内刺激のための刺激電極誘導法
  • 著者名/発表者名: 石原裕也
  • 学会等名: 第51回日本生体医工学会大会
  • 発表場所: 福岡
• [学会発表] Capability of an 11,011-electrode CMOS array to study action potential propagation plasticity
  • 著者名/発表者名: Douglas J Bakkum
  • 学会等名: Society for Neuroscience
  • 発表場所: ニューオーリンズ (アメリカ合衆国）
• [学会発表] 分散培養神経細胞の高空間解像度な機能的ネットワーク解析
  • 著者名/発表者名: 三田毅
  • 学会等名: 平成23年電気学会電子・情報・システム部門大会
  • 発表場所: 富山
• [学会発表] Feasibility study of odor biosensor using dissociate neuronal culture with gene expression of ionotropic odorant receptros
  • 著者名/発表者名: Norio Tanada
  • 学会等名: 第26回生体生理工学シンポジウム
  • 発表場所: 草津
• [学会発表] The feasibility study of novel odor biosensor using dissociate neuronal culture expressing ion channel built-in odor receptors
  • 著者名/発表者名: Norio Tanada
  • 学会等名: 第34回日本神経科学大会
  • 発表場所: 横浜
• [学会発表] Measurement of Action Potentials of Dissociated Cultured Neurons by High Density CMOS Array and Network Analysis
  • 著者名/発表者名: Takeshi Mita
  • 学会等名: 第34回日本神経科学大会
  • 発表場所: 横浜
• [学会発表] Advancing neuronal cellular and network analysis using a high-density 11,011-microelectrode CMOS array
  • 著者名/発表者名: D. J. Bakkum
  • 学会等名: 8th IBRO World Congress of Neuroscience
  • 発表場所: Florence (Italy)
• [備考]
  • URL: http://www.brain.rcast.u-tokyo.ac.jp/~takahashi/
• [備考] 代表者のホームページ
  • URL: http://www.brain.rcast.u-tokyo.ac.jp/~takahashi/
• [備考] 研究代表者のホームページ
  • URL: http://www.brain.rcast.u-tokyo.ac.jp/~takahashi/
• [備考] 研究代表者のホームページ
  • URL: http://www.brain.rcast.u-tokyo.ac.jp/~takahashi/