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レーザー誘起力学摂動による神経回路網の機能制御

研究課題

研究課題/領域番号 23K28191
補助金の研究課題番号 23H03501 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分62010:生命、健康および医療情報学関連
研究機関大阪公立大学

研究代表者

細川 千絵  大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (60435766)

研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2026-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)
2025年度: 4,940千円 (直接経費: 3,800千円、間接経費: 1,140千円)
2024年度: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 9,360千円 (直接経費: 7,200千円、間接経費: 2,160千円)
キーワード生物物理学 / 神経工学 / ナノバイオ / レーザー
研究開始時の研究の概要

集光レーザービームの光放射圧(光圧)により誘起された力学摂動を用いて細胞内分子動態を高精度に操作する新たな細胞機能制御を実現する。培養神経細胞ネットワークを対象として、神経シナプス伝達に関与する分子群にレーザー誘起力学摂動を印加することにより細胞内分子を集光位置に捕捉し、神経伝達過程を操作する手法を確立する。神経細胞の細胞内分子操作に伴い変化する電気的活動に着目し、神経細胞ネットワークの機能的結合特性を明らかにする。

研究実績の概要

本研究では、集光レーザービームの光圧により誘起された力学摂動を用いて、細胞内分子動態を高精度に操作する新たな細胞機能制御を実現する。神経細胞シナプス部位に局在する受容体分子や小胞を対象として、光圧をトリガーにして細胞内分子を集合させることにより神経活動を操作する手法を確立する。顕微分光解析や電気応答計測により、神経細胞内分子集合に伴い変化する神経回路網の結合特性を明らかにする。
今年度は、レーザー誘起力学摂動による細胞内分子ダイナミクスの解明のため、新たに高出力の近赤外レーザーを導入して、現有の顕微鏡システムを改良した。レーザー誘起力学摂動による細胞内分子動態の過渡応答について検証するため、顕微蛍光イメージングや顕微ラマン分光計測を可能とする顕微鏡システムを構築した。ラット海馬由来培養神経回路網を対象として、神経細胞シナプス部位に局在する神経伝達物質受容体分子やシナプス小胞群の蛍光標識を行った。レーザー誘起力学摂動として、波長1064 nmの連続発振レーザーを顕微鏡対物レンズにより培養神経細胞シナプス部位に集光して、神経細胞表面や内部に局在する分子群に力学摂動を印加し、集光領域において分子群が光捕捉され、集合するダイナミクスを明らかにした。さらに、神経細胞内の目的分子のみを効率よく捕捉することを目的として、通常の近赤外レーザーに加えて共鳴用レーザーを同時照射する手法についても検討を進めた。

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

本研究計画では、(1)レーザー摂動による細胞内分子集合ダイナミクスの顕微蛍光解析、(2)レーザー摂動による神経活動操作、(3)レーザー摂動による細胞内分子集合過程の考察・理論モデル構築について取り組む。今年度は、(1)レーザー摂動による細胞内分子集合ダイナミクスの顕微蛍光解析のため、現有の顕微鏡システムを改変し、新たに高出力の連続発振近赤外レーザーを導入した。レーザー誘起力学摂動による細胞内分子動態の過渡応答を蛍光イメージングや蛍光相関分光法、顕微ラマン散乱分光計測により評価する顕微鏡システムを構築した。ラット海馬由来培養神経回路網の単一神経細胞のシナプス部位に局在する神経伝達物質受容体分子やシナプス小胞を対象として、レーザー誘起力学摂動を神経細胞表面や内部に局在する分子群に印加する実験系を構築した。神経細胞内シナプス小胞を蛍光標識し、波長1064 nmの連続発振レーザー光を顕微鏡対物レンズにより神経シナプス部位に集光したところ、集光領域の蛍光強度が時間とともに増加し、光捕捉されることを確認した。神経伝達物質受容体分子に蛍光性量子ドットを標識した神経細胞では、レーザー集光領域において受容体分子の分子運動が遅くなることを蛍光像の単一粒子追跡法により明らかにした。さらに、通常の近赤外レーザーに加えて捕捉対象物質の電子励起に共鳴する波長のレーザーを同時に照射する実験系の構築を進めた。
以上より、おおむね当初の計画通りに進行していると判断した。

今後の研究の推進方策

集光レーザービームの光圧により誘起された力学摂動を用いて細胞内分子動態を操作する新たな細胞機能制御を実現するため、レーザー誘起力学摂動による細胞内分子動態の過渡応答を蛍光イメージングや蛍光相関分光法、顕微ラマン散乱分光計測により評価する。神経細胞表面や内部に局在する分子群に対してレーザー誘起力学摂動を印加し、レーザー集光領域における分子群の光捕捉・集合過程を明らかにする。光圧による細胞内分子集合に伴い変化する神経回路網における細胞機能として電気的活動変化に着目し、細胞内分子集合過程と神経電気活動変化との相関性を見出す。さらに、レーザー誘起力学摂動に伴う細胞内分子集合メカニズムを明らかにするため、人工脂質膜上に神経伝達物質受容体分子を再構成した細胞膜上分子モデルを作製し、レーザー誘起力学摂動の印加に伴い変化する人工膜上の分子動態を顕微蛍光解析により明らかにする。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (34件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (30件) (うち国際学会 9件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Network-wide neuronal activity under optical trapping of synaptic vesicles in cultured neurons2023

    • 著者名/発表者名
      Minoshima Wataru、Yasuda Taketo、Masui Kyoko、Hosokawa Chie
    • 雑誌名

      Proceedings of SPIE

      巻: 12606 ページ: 1260613-1260613

    • DOI

      10.1117/12.3008362

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanisms of neuronal stimulation with a focused nanosecond optical vortex2023

    • 著者名/発表者名
      Segawa Yumi、Tanimoto Yasushi、Yuyama Ken-ichi、Minoshima Wataru、Masui Kyoko、Omatsu Takashige、Hosokawa Chie
    • 雑誌名

      Proceedings of SPIE

      巻: 12606 ページ: 52-52

    • DOI

      10.1117/12.3008385

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 集光レーザービームの光圧による細胞膜表在分子モデルの拡散制御2024

    • 著者名/発表者名
      森山俊哉, 谷本泰士, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 集光フェムト秒光渦を用いた神経活動誘発2024

    • 著者名/発表者名
      瀬川夕海、増井恭子、細川千絵
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Network-wide neuronal activity under optical trapping of synaptic vesicles in cultured neurons2023

    • 著者名/発表者名
      W. Minoshima, T. Yasuda, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      The 10th Optical Manipulation and Structured Materials Conference (OMC2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mechanisms of neuronal stimulation with a focused nanosecond optical vortex2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Segawa, Y. Tanimoto, K. Yuyama, W. Minoshima, K. Masui, T. Omatsu, C. Hosokawa
    • 学会等名
      The 10th Optical Manipulation and Structured Materials Conference (OMC2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] フェムト秒光渦レーザー照射による微細構造の作製2023

    • 著者名/発表者名
      松本義久, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      第44回光化学若手の会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 光ピンセットを用いた支持脂質二分子膜上の分子動態操作2023

    • 著者名/発表者名
      森山俊哉, 谷本泰士, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      第44回光化学若手の会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 共鳴レーザー波長に依存した神経伝達物質受容体分子の光捕捉過程2023

    • 著者名/発表者名
      宮崎達夢, 植野昂, 谷本泰士, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      2022 年電気学会電子・情報・システム部門各賞受賞記念講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Regulation of molecular dynamics on substrate-supported lipid bilayer by optical tweezers2023

    • 著者名/発表者名
      S. Moriyama, Y. Tanimoto, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      The 31st International Conference on Photochemistry (ICP2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optical manipulation of cellular functions in neuronal networks using a focused laser beam2023

    • 著者名/発表者名
      C. Hosokawa, T. Kishimoto, W. Minoshima, K. Masui
    • 学会等名
      The 31st International Conference on Photochemistry (ICP2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Optical trapping dynamics of molecules in cultured hippocampal neurons analyzed by Raman spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      K. Nishimura, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      The 31st International Conference on Photochemistry (ICP2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 初代培養海馬神経細胞の神経回路網形成に伴う還元型チトクロムc分布変化のラマンイメージング2023

    • 著者名/発表者名
      増井恭子, 長野貴裕, 谷知己, 名和靖矩, 藤田克昌, 石飛秀和, 藤田聡史, 細川千絵, 井上康志
    • 学会等名
      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] 集光フェムト秒レーザーにより誘発された神経活動の電気生理学的計測2023

    • 著者名/発表者名
      瀬川夕海, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      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] 集光フェムト秒レーザー照射に伴う単一神経細胞の電気生理学的特性2023

    • 著者名/発表者名
      瀬川夕海, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      2023年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 神経細胞内シナプス小胞群の光捕捉による神経電気活動制御2023

    • 著者名/発表者名
      箕嶋渉, 安田健人, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      2023年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Single particle tracking analysis of neurotransmitter receptors with resonant optical tweezers2023

    • 著者名/発表者名
      T. Miyazaki, K. Ueno, Y. Tanimoto, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      2023年電気学会 電子・情報・システム部門大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 光圧下における支持脂質二分子膜上分子の動態2023

    • 著者名/発表者名
      森山俊哉, 谷本泰士, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 集光フェムト秒光渦ビームを用いた光重合反応による微細構造形成2023

    • 著者名/発表者名
      松本義久, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 集光フェムト秒レーザーを用いた生体膜加工による脂質ラフトモデル構築2023

    • 著者名/発表者名
      谷本泰士, 瀬川夕海, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 神経細胞内シナプス小胞群の光捕捉による神経活動時空間パターンの変調2023

    • 著者名/発表者名
      箕嶋渉, 安田健人, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 顕微ラマン分光計測を用いた光圧下における神経細胞内分子動態変化2023

    • 著者名/発表者名
      西村和真, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 集光フェムト秒レーザーによる単一細胞レベルの神経活動操作2023

    • 著者名/発表者名
      瀬川夕海, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      第12回有機分子・バイオエレクトロニクスの未来を拓く若手研究者討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 光ピンセットによるタンパク質結晶化2023

    • 著者名/発表者名
      西室愛実, 谷本泰士, 増井恭子, 宮原郁子, 細川千絵
    • 学会等名
      第12回有機分子・バイオエレクトロニクスの未来を拓く若手研究者討論会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] レーザー摂動による神経活動ダイナミクスの制御2023

    • 著者名/発表者名
      細川千絵
    • 学会等名
      日本学術振興会R041バイオ・分子・ナノテクノロジー融合委員会 第4回研究会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 顕微ラマン分光計測による神経細胞内分子の光捕捉過程2023

    • 著者名/発表者名
      西村和真, 増井恭子, 細川千絵
    • 学会等名
      2023年度日本分光学会年次講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Neuronal circuit modulation at single-cell level using a focused femtosecond laser2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Segawa, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      Society for Neuroscience Annual Meating (Neuroscience 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Spatio-temporal patterns of neuronal activity induced by high-frequency irradiation with a focused femtosecond laser2023

    • 著者名/発表者名
      K. Otani, Y. Segawa, W. Minoshima, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Manipulation of lipid membrane domains in artificial membrane by optical tweezers2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Tanimoto, S. Moriyama, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      第61回日本生物物理学会年会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Optical Manipulation of Molecules in the Model Biological Membrane2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Tanimoto, S. Moriyama, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Molecular Dynamics under Optical Trapping in Neuronal Cells Analyzed by Raman Spectroscopy2023

    • 著者名/発表者名
      K. Nishimura, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Manipulation of Neuronal Network Dynamics with a Focused Femtosecond Laser2023

    • 著者名/発表者名
      Y. Segawa, W. Minoshima, K. Masui, C. Hosokawa
    • 学会等名
      16th International Symposium on Nanomedicine (ISNM2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [備考] 大阪公立大学 大学院理学研究科化学専攻 生命物理化学研究室

    • URL

      https://www.omu.ac.jp/sci/chem-biophys/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [備考] 細川千絵Researchmap

    • URL

      https://researchmap.jp/chiehosokawa/

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

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