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X線光遺伝学の多色化・高効率化による汎用的な脳神経回路操作法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 23K24200
補助金の研究課題番号 22H02939 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
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

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)
越水 正典  静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (40374962)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2023年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2022年度: 6,760千円 (直接経費: 5,200千円、間接経費: 1,560千円)
キーワード光遺伝学 / X線 / 電気生理学 / シンチレータ / マウス / オプシン / シンチレーター / ドーパミン / ナノ粒子
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。本研究代表者たちは、生体を透過するX線を用いて神経細胞の活動を遠隔操作する「X線光遺伝学」を独自に開発した。本技術では放射線励起蛍光体であるシンチレータを用いるが、本技術での有効性が証明されたシンチレータは未だ1種類のみであり応用が限定されている。そこで、本研究では、様々な発光波長を持つ高効率シンチレータを活用するとともにX線エネルギーを高効率で光感受性タンパク質に伝達する技術を開発することで、汎用的な脳神経機能の遠隔操作技術を確立する。

研究実績の概要

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。本研究代表者たちは、生体を透過するX線を用いて神経細胞の活動を遠隔操作する「X線光遺伝学」を独自に開発した。本技術では放射線励起蛍光体であるシンチレータを用いるが、本技術での有効性が証明されたシンチレータは未だ1種類のみであり応用が限定されている。そこで、本研究では、様々な発光波長を持つ高効率シンチレータを活用するとともにX線エネルギーを高効率で光感受性タンパク質に伝達する技術を開発することで、汎用的な脳神経機能の遠隔操作技術を確立することを目的としている。前年度までに、様々なシンチレータ素材の有効性をテストするためのルーティンを構築した。まず、①脳注入による炎症誘発性テストを行い、生体無毒であることを確認した後、②電気生理学による神経操作テストを行って、神経操作の効率を測定する。その後、③VTAドーパミン神経を操作して条件付け場所嗜好性テストを行うという順番である。これまでに使われたことのないシンチレータ素材であるCe:GAGGナノ粒子、Rb2CuRr3マイクロ粒子, Cs3Cu2I5マイクロ粒子,Cs3Cu2I5ナノ粒子、(C38H34P2)MnBr4マイクロ粒子, NaLuF4:Tbナノ粒子、Eu:GAGGマイクロ粒子について、粒子を作製(あるいは入手)してマウス脳に注入し、炎症誘発性をテストしたところ、Ce:GAGGナノ粒子とEu:GAGGマイクロ粒子を除きすべて炎症誘発性であった。これまで、Ce:GAGGナノ粒子については電気生理学による神経操作テストにより有効性を確かめた。現在、Ce:GAGGナノ粒子を用いてX線照射による行動誘発実験を実施中であり、2024年度内に論文発表できる見込みである。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

検討した新規候補シンチレータ素材のほとんどが予想に反し生体毒性を持ち注入組織に炎症を引き起こすものであったが、新規素材であるCe:GAGGナノ粒子について有効性を確かめることができ、早期に論文化できる見込みであるため。引き続き他の新規候補の探索を続けるとともに、生体毒性のある粒子については被膜を施すことにより無毒化できるか否かを検討していく。

今後の研究の推進方策

本年度はCe:GAGGナノ粒子を用いた行動テストと、Eu:GAGGマイクロ粒子を用いた神経操作テストと行動テストを行い、上記のネガティブデータと共に論文化する。また、毒性のある粒子をシリカやPEGなどで被膜することで無毒化できるか否かについての検討や、Ce:GPSなど新たなシンチレータ素材候補についてもテストしていく予定である。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (16件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件、 招待講演 6件) 備考 (4件)

  • [雑誌論文] Development of Ce-doped Gd3Al5−yGayO12 Nanoparticle Scintillators2023

    • 著者名/発表者名
      Masanori Koshimizu, Yutaka Fujimoto, Keisuke Asai
    • 雑誌名

      Sensors and Materials

      巻: 35 号: 2 ページ: 521

    • DOI

      10.18494/SAM4149

    • ISSN
      0914-4935, 2435-0869
    • 年月日
      2023-02-20
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Interareal Synaptic Inputs Underlying Whisking-Related Activity in the Primary Somatosensory Barrel Cortex2023

    • 著者名/発表者名
      Kawatani Masahiro、Horio Kayo、Ohkuma Mahito、Li Wan-Ru、Yamashita Takayuki
    • 雑誌名

      The Journal of Neuroscience

      巻: 44 号: 4 ページ: e1148232023-e1148232023

    • DOI

      10.1523/jneurosci.1148-23.2023

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] X線を用いた細胞機能の遠隔光操作2022

    • 著者名/発表者名
      松原 崇紀、山下 貴之
    • 雑誌名

      生物工学会誌

      巻: 100 号: 8 ページ: 437-440

    • DOI

      10.34565/seibutsukogaku.100.8_437

    • ISSN
      0919-3758, 2435-8630
    • 年月日
      2022-08-25
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • オープンアクセス
  • [雑誌論文] Primary motor cortex drives expressive facial movements related to reward processing in mice2022

    • 著者名/発表者名
      Li Wanru、Nakano Takashi、Mizutani Kohta、Kawatani Masahiro、Matsubara Takanori、Danjo Teruko、Mukai Yasutaka、Yamanaka Akihiro、Ito Hikaru、Aizawa Hidenori、Petersen Carl C. H.、Yoshimoto Junichiro、Yamashita Takayuki
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: - ページ: 1-62

    • DOI

      10.1101/2022.10.28.514159

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] How Rewards Influence Facial Movements in Mice2023

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Yamashita
    • 学会等名
      Fujita International Symposium on Brain science 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Uncovering the Neuronal Mechanisms of Uninstructed Orofacial Movements in Reward-Based Learning Behaviors2023

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Yamashita
    • 学会等名
      Bordeaux Neurocampus Seminar
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The neural basis of reward-related facial movements and their impacts on sensory perception2023

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Yamashita
    • 学会等名
      Barrel cortex and beyond
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Reward-Related Orofacial Movements: Mechanisms and Influence on Cortical Activities2023

    • 著者名/発表者名
      山下 貴之
    • 学会等名
      生理研シナプス研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] D1 receptor-dependent and -independent uninstructed orofacial movements during reward-based learning behaviors2023

    • 著者名/発表者名
      Wanru Li, Takashi Nakano, Takayuki Yamashita
    • 学会等名
      NEURO2023 第46回日本神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 一次体性感覚野における運動に伴う神経活動は高次体性感覚野からのフィードバック入力により生じる2023

    • 著者名/発表者名
      河谷 昌泰、堀尾 佳世、リ ワンル、大熊 真人、山下 貴之
    • 学会等名
      NEURO2023 第46回日本神経科学大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 報酬はどのように顔を動かすか2023

    • 著者名/発表者名
      山下 貴之
    • 学会等名
      定量生命科学研究所セミナー
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Remote control of neuronal functions using X-rays2022

    • 著者名/発表者名
      Takayuki Yamashita
    • 学会等名
      The 1st Fujita International Symposium on Brain Science
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 運動中に感覚が変化する脳メカニズムを解明

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/news/j93sdv000000pr1m.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] Challenging the Traditional Views on ...

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/en/news/kka9ar00000029xf.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 報酬が表情を変化させる神経メカニズムを解明

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/news/j93sdv000000l0gv.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] Unveiling the Mechanism Underlying ...

    • URL

      https://www.fujita-hu.ac.jp/en/news/kka9ar00000024tb.html

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

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