マルチモーダル内視鏡による大脳基底核の細胞活動と電気的振動現象との関係解明

• 研究領域: 非線形発振現象を基盤としたヒューマンネイチャーの理解
• 研究課題/領域番号: 18H04931
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 複合領域
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小山内 実 大阪大学, 医学系研究科, 教授 (90286419)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円); 2019年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円); 2018年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
• キーワード: 脳内内視鏡 / マルチモーダル / カルシウムイメージング / 多点電極 / 光学計測 / 電気計測 / 脳 / 神経 / 内視鏡 / イメージング / 細胞外電位 / 大脳基底核 / GECI / 蛍光イメージング / マイクロ電極 / 多細胞神経活動計測 / 脳・神経 / 生理学

研究実績の概要

脳・神経系は神経細胞、局所神経回路、大規模神経回路のように階層構造を成しているため、それぞれの階層のデータを集約し統合的に解析を行うことで初めてその機能発現メカニズムを知ることができる。そのために我々は、マルチスケールイメージングを展開しているが、メゾスコピックな視点でマクロな情報とミクロな情報をつなぎ、統合的に解析する必要がある。そこで本研究では、in vivo 多細胞イメージングと同時に細胞外電位を計測することが可能なマルチモーダル内視鏡システムを開発し、大脳基底核の機能解明を目指し、以下の研究を行った。
1. in vivo イメージング
in vivo 顕微鏡を用いて、自由行動下の動物の海馬において、多細胞神経活動イメージングに成功し、記憶メカニズムについての研究を行った。また、極微細蛍光内視鏡イメージングシステムの開発、及び内視鏡を頭蓋に固定する固定具の開発を行い、自由行動下の動物でのイメージングを行った。細胞種特異的に蛍光タンパク質を発現したマウス・ラットの脳にこのイメージングシステムの内視鏡を刺入し、単一細胞を識別できる空間分解能でカルシウムイメージングを行うことに成功した。また、複数本の内視鏡を複数領域に刺入し、複数領域同時神経活動イメージングに成功した。
2. 多点電極開発
昨年度に続き、神経活動イメージングと電気生理学的計測を同時に行うことができる、マルチモーダル内視鏡の電極部分のプロトタイプの開発を行った。このプロトタイプは中に極微細蛍光内視鏡を挿入できるジルコニア製のチューブの外側に、非球面フォトファブリケーションプロセスを利用して複数の計測電極を構築したものである。このプロトタイプの電気的特性の評価を行い神経活動計測に供することができる電極が作成できたことを確認した。この電極を用いて、ラット大脳皮質から局所電場電位様の信号の多点計測に成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Orchestrated ensemble activities constitute a hippocampal memory engram (2019)
  • 著者名/発表者名: Khaled Ghandour, Noriaki Ohkawa, Chi Chung Alan Fung, Hirotaka Asai, Yoshito Saitoh, Takashi Takekawa, Reiko Okubo-Suzuki, Shingo Soya, Hirofumi Nishizono, Mina Matsuo, Makoto Osanai, Masaaki Sato, Masamichi Ohkura, Junichi Nakai, Yasunori Hayashi, Takeshi Sakurai, Takashi Kitamura, Tomoki Fukai & Kaoru Inokuchi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 号: 1 ページ: 2637-2637
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10683-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Visualization of Brain Activity in a Neuropathic Pain Model Using Quantitative Activity-Dependent Manganese Magnetic Resonance Imaging (2019)
  • 著者名/発表者名: Inami C, Tanihira H, Kikuta S, Ogasawara O, Sobue K, Kume K, Osanai M, Ohsawa M
  • 雑誌名: Frontiers in Neural Circuits 巻: 13 ページ: 74-74
  • DOI: 10.3389/fncir.2019.00074
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Store-Operated Calcium Channels Are Involved in Spontaneous Slow Calcium Oscillations in Striatal Neurons (2019)
  • 著者名/発表者名: Kikuta Satomi、Iguchi Yoshio、Kakizaki Toshikazu、Kobayashi Kazuto、Yanagawa Yuchio、Takada Masahiko、Osanai Makoto
  • 雑誌名: Frontiers in Cellular Neuroscience 巻: 13 ページ: 1-9
  • DOI: 10.3389/fncel.2019.00547
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 内視鏡観察機能を有した細径チューブ形状神経電極の作製と電気的特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 池田 尚人、魯 文広、松永忠雄、鶴岡典子、虫明 元、小山内 実、大城朝一、芳賀洋一
  • 雑誌名: 電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会資料 巻: -
• [学会発表] Multiscale Ca2+ imaging for brain function analysis. (2020)
  • 著者名/発表者名: Osanai M
  • 学会等名: 第 93 回日本薬理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] The role of dopamine D1 receptor on the whole brain activity and on the motor function. (2020)
  • 著者名/発表者名: Osanai M, Tanihira H, Inagaki R, Kikuta S, Sasaoka T, Nambu A
  • 学会等名: 第97回日本生理学会大会
• [学会発表] Differential modulation of striatal medium spiny neuron via the cortico-striatal stimulation. (2019)
  • 著者名/発表者名: Inagaki R, Sasagawa M, Osanai M
  • 学会等名: 第 42 回日本神経科学大会
• [学会発表] 線条体投射ニューロンの周波数応答特性は直接路と間接路で異なる (2019)
  • 著者名/発表者名: 稲垣 良, 笹川 正人, 小山内 実
  • 学会等名: 2019 年 電気学会 電子・情報・システム部門大会
• [学会発表] 線条体直接路ニューロンと間接路ニューロンの周波数応答特性は異なる (2019)
  • 著者名/発表者名: 稲垣 良, 笹川 正人, 小山内 実
  • 学会等名: 第 34 回日本大脳基底核研究会
• [学会発表] Development and application of the multimodal ultra-thin endoscope for analyzing neuronal circuits in the deep brain region. (2019)
  • 著者名/発表者名: Osanai M, Ohkawa N, Iguchi Y, Yokose J, Nakayama S, Inokuchi K, Kobayashi K, Haga Y, Mushiake H
  • 学会等名: 次世代脳プロジェクト冬のシンポジウム
• [学会発表] Development and application of the multimodal ultra-thin endoscope for analyzing neuronal circuits in the deep brain region. (2019)
  • 著者名/発表者名: Osanai M, Ohkawa N, Iguchi Y, Yokose J, Nakayama S, Inokuchi K, Kobayashi K, Haga Y, Mushiake H
  • 学会等名: Neural Oscillation Conference 2019 Towards Integrative Understanding of Human Nature
  • 国際学会
• [学会発表] 光刺激部および内視鏡観察部周囲に電極を配置したチューブ形状神経電極の開発と電 気的評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 池田尚人, 鶴岡典子, 虫明 元, 小山内 実, 大城朝一, 松永忠雄, 芳賀洋一
  • 学会等名: 第58回日本生体医工学会大会
• [学会発表] Application of spatiotemporal neural network to segment low contrast calcium fluorescence images. (2019)
  • 著者名/発表者名: Moiloa P, Homma N, Osanai M
  • 学会等名: 9th FAOPS Congress
  • 国際学会
• [学会発表] Multi-scale and multi-dimmensional analysis for unraveling brain functions. (2018)
  • 著者名/発表者名: 小山内 実
  • 学会等名: 平成 30 年度 第 2 回 大脳基底核機能研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Application of U-Net deep learning architecture for segmenting low contrast calcium fluorescence images stacks of neurons. (2018)
  • 著者名/発表者名: Moiloa P, Homma N, Osanai M
  • 学会等名: 第 41 回日本神経科学大会
• [学会発表] Integarting neuronal ensembles constitute and replay hippocampal engram. (2018)
  • 著者名/発表者名: Ghandour K, Ohkawa N, Fung CCA, Asai H, Saitoh Y, Takekawa T, Okubo-Suzuki R, Soya S, Nishizono H, Matsuo M, Sato M, Ohkura M, Nakai J, Hayashi Y, Sakurai T, Osanai M, Kitamura T, Fukai T, Inokuchi K
  • 学会等名: 第 41 回日本神経科学大会
• [学会発表] Temporospatioal U-Net for low contrast calcium fluorescence image segmentation. (2018)
  • 著者名/発表者名: Pelonomi Moiloa, 本間 経康, 小山内 実
  • 学会等名: SICE Symposium on Systems and Information 2018
• [学会発表] 内視鏡観察機能を有した細径チューブ形状神経電極の作製と電気的特性評価 (2018)
  • 著者名/発表者名: 池田 尚人、魯 文広、松永忠雄、鶴岡典子、虫明 元、小山内 実、大城朝一、芳賀洋一
  • 学会等名: 電気学会センサ・マイクロマシン部門総合研究会
• [学会発表] 内視鏡観察部周囲に電極を配置したチューブ形状神経電極 (2018)
  • 著者名/発表者名: 池田尚人、魯 文広、松永忠雄、鶴岡典子、虫明 元、小山内 実、大城朝一、芳賀洋一
  • 学会等名: 第35回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [図書] "Ultra-thin fluorescence endoscope imaging system enables flexible functional brain imaging.", Optogenetics (Advances in Experimental Medicine and Biology), 2nd ed. (2020 年 発刊予定) (2020)
  • 著者名/発表者名: Makoto Osanai, Hideki Miwa, Atsushi Tamura, Satomi Kikuta, Yoshio Iguchi, Yuchio Yanagawa, Kazuto Kobayashi, Hajime Mushiake
  • 出版者: Springer
• [備考] 研究室 web ページ
  • URL: https://sahswww.med.osaka-u.ac.jp/jpn/departments/iryogijyutu-hosya_seitaikinou.html
• [備考] 所属機関作成 web ページ
  • URL: http://sahswww.med.osaka-u.ac.jp/jpn/departments/iryogijyutu-hosya_seitaikinou.html