光による生体神経インターフェイスデバイスの研究

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H03780
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 太田 淳 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80304161)
• 研究分担者: 高橋 正信 芝浦工業大学, システム理工学部, 教授 (20338312)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: CMOSイメージセンサ / 生体埋植デバイス / 光遺伝学 / 光電子デバイス

研究実績の概要

(1) 超薄型分散埋植デバイス：マウス脳内に低侵襲で分散埋植可能で，生体機能への光による操作と計測を可能とする超薄型マイクロフォトニックデバイスの実現を目指し，脳内埋植可能フレキシブルマイクロイメージングデバイスと脳内埋植可能フレキシブル光刺激デバイスを試作し，マウス脳内に埋植し，自由行動下でのイメージングと光刺激が可能であることを実証した．そして同時動作を行い，細胞とデバイスとの双方向光通信を実施した．更にイメージセンサ自体の高感度化を目指し，より詳細な蛍光画像解析を可能とするツールの開発を実施した． また蛍光イメージングと細胞外電位計測機能を集積化したデバイスを新たに開発し，蛍光イメージングと細胞外電気計測の同時計測に成功した．
(2) 神経ネットワーク回路の計測と制御：マウス脳内に分散埋植したマイクロフォトニックデバイスによる神経回路への光による操作と計測を実施した．中毒症状に関しては， VTAと側坐核などへのマイクロフォトニックデバイス埋植を行いニコチン投与によるドーパミン神経応答について詳細に解析を行った．また，フォルマリン注射による疼痛応答をDRCやACCに埋植したマイクロフォトニックデバイスにより行った．特にセロトニンニューロン活動を計測し，その応答特性評価を実施した．ドーパミン放出やセロトニン放出につていははマイクロダイアリシス測定結果とも比較を行い，有用な知見を得ることができた．

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] カセサート大学(タイ)
  • 国名: タイ
  • 外国機関名: カセサート大学
• [国際共同研究] ヒューストン大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: ヒューストン大学
• [雑誌論文] Electrochemical activities of Fe₂O₃-modified microelectrode for dopamine detection using fast-scan cyclic voltammetry (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato Nicha、Ohta Yasumi、Haruta Makito、Takehara Hironari、Tashiro Hiroyuki、Sasagawa Kiyotaka、Jongprateep Oratai、Ohta Jun
  • 雑誌名: AIP Advances 巻: 13 ページ: 025026～025026
  • DOI: 10.1063/5.0123865
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A dual-mode miniature wireless system for lensless CMOS-based bioimaging devices (2023)
  • 著者名/発表者名: Treepetchkul Thanaree、Siwadamrongpong Ronnakorn、Tan Renzo Roel P.、Takehara Hironari、Haruta Makito、Tashiro Hiroyuki、Sasagawa Kiyotaka、Ohta Jun
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SC1037～SC1037
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acb05f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multifunctional Implantable Device for Simultaneous Optical and Electrophysiological Measurements (2022)
  • 著者名/発表者名: Naganuma Kyosuke、Ohta Yasumi、Murakami Takaaki E.、Okada Ryoma、Guinto Mark Christian、Takehara Hironari、Haruta Makito、Tashiro Hiroyuki、Sasagawa Kiyotaka、Sunaga Yoshinori、Akay Yasemin M.、Akay Metin、Ohta Jun
  • 雑誌名: Sensors and Materials 巻: 34 ページ: 1561～1561
  • DOI: 10.18494/SAM3710
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Modular head-mounted cortical imaging device for chronic monitoring of intrinsic signals in mice (2022)
  • 著者名/発表者名: Guinto Mark Christian、Haruta Makito、Kurauchi Yuki、Saigo Taisuke、Kurasawa Kazuki、Ryu Sumika、Ohta Yasumi、Kawahara Mamiko、Takehara Hironari、Tashiro Hiroyuki、Sasagawa Kiyotaka、Katsuki Hiroshi、Ohta Jun
  • 雑誌名: Journal of Biomedical Optics 巻: 27 ページ: 116002-1～17
  • DOI: 10.1117/1.JBO.27.2.026501
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Investigating the Influence of GABA Neurons on Dopamine Neurons in the Ventral Tegmental Area Using Optogenetic Techniques (2022)
  • 著者名/発表者名: Ohta Yasumi、Murakami Takaaki E.、Kawahara Mamiko、Haruta Makito、Takehara Hironari、Tashiro Hiroyuki、Sasagawa Kiyotaka、Ohta Jun、Akay Metin、Akay Yasemin M.
  • 雑誌名: International Journal of Molecular Sciences 巻: 23 ページ: 1114-1～1114-16
  • DOI: 10.3390/ijms23031114
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 脳内埋植超小型イメージングデバイスを用いたマウス腹側被蓋野における自由行動下神経活動の蛍光イメージング (2023)
  • 著者名/発表者名: 佐野 珠世, 太田 安美, 河原 麻実子, 須永 圭紀, 竹原 浩成, 春田 牧人, 田代 洋行, 笹川 清隆, 太田 淳
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 刺入型蛍光イメージングデバイス用フロントライト構造の試作 (2023)
  • 著者名/発表者名: 伊藤 佑樹, Schaeffer Daniel, 笹川 清隆, 竹原 浩成, 春田 牧人, 田代 洋行, 太田 淳
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 生体埋植イメージセンサ空間分解能向上にむけた角度選択画素構造の検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 鎧 圭吾, 杉江 謙治, 春田 牧人, 竹原 浩成, 田代 洋行, 笹川 清隆, 太田 淳
  • 学会等名: 令和5年電気学会全国大会
• [学会発表] Miniaturized Multi-functional Sensing System with Implantable CMOS Imager and Fast-scan Cyclic Voltammetry (2023)
  • 著者名/発表者名: Siwadamrongpong Ronnakorn Siwadamrongpong, Sato Nicha, 春田 牧人, 竹原 浩成, 田代 洋行, 笹川 清隆, 太田 淳
  • 学会等名: 令和5年電気学会全国大会
• [学会発表] 脳表観察用ヘッドマウント蛍光イメージングデバイスの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 春田 牧人, Mark Christian Guinto, 太田 安美, 河原 麻実子, 竹原 浩成, 田代 洋行, 笹川 清隆, 太田 淳
  • 学会等名: 第96回日本薬理学会年会
• [学会発表] An implantable multimodal sensor for optical and electrophysiological recording of mouse brain activity (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenji Sugie, Ryoma Okada, Yasumi Ohta, Hironari Takehara, Makito Haruta, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Jun Ohta
  • 学会等名: IEEE Photonics Coference
  • 国際学会
• [学会発表] A wireless CMOS imaging device utilized Bluetooth-low energy for freely moving animals (2022)
  • 著者名/発表者名: Treepetchkul Thanaree, Ronnakorn Siwadamrongpong, Hironari Takehara, Makito Haruta, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Jun Ohta
  • 学会等名: 第39回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム
• [学会発表] An implantable multimodal sensor for optical and electrophysiological recording of mouse brain activity (2022)
  • 著者名/発表者名: Kenji Sugie, Ryoma Okada, Yasumi Ohta, Hironari Takehara, Makito Haruta, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Jun Ohta
  • 学会等名: IEEE Photonics Society Kansai Chapter 第8回フォトニクス英語発表会
• [学会発表] バイオニックヒューマン ～バイオ医療デバイスを支える半導体技術～ (2022)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: 第48回技術士全国大会
  • 招待講演
• [学会発表] 半導体のバイオ医療応用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: 「超高齢化社会に対応する先制医療工学研究拠点」シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] Brain Implantable Optoelectronic Devices for Measuring and Controlling Biological Functions (2022)
  • 著者名/発表者名: Jun Ohta
  • 学会等名: BrainInterface CAS, BioCAS pre-conference workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] A Wireless CMOS Imaging Device for Mouse Under Freely Moving Conditions (2022)
  • 著者名/発表者名: Thanaree Treepetchkul, Ronnakorn Siwadamrongpong, Hironari Takehara, Makito Haruta, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Jun Ohta
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials(SSDM2022)
  • 国際学会
• [学会発表] 腹側被蓋野内の 2 領域の神経活動の蛍光イメージングの同時計測 (2022)
  • 著者名/発表者名: 藤田 敦士, Castillo Virgil Christian, Rebusi Romeo Brioso, 太田 安美, 河原 麻実子, 竹原 浩成, 春田 牧人, 田代 洋行, 笹川 清隆, 太田 淳
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Facile Fabrication of Carbon Electrodes on Flexible Subtrate for In Vivo Sensing of Dopamine (2022)
  • 著者名/発表者名: VirgilChristian Garcia Castillo, Yasumi Ohta, Nicha Sato, Hiroyuki Tashiro, Hironari Takehara, Makito Haruta, Kiyotaka Sasagawa, Jun Ohta
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 脳表血流・蛍光観察用ヘッドマウントCMOSイメージングデバイス (2022)
  • 著者名/発表者名: 春田 牧人, Guinto Mark, 太田 安美, 河原 麻実子, 竹原 浩成, 田代 洋行, 笹川 清隆, 太田 淳
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Mouse Brain Imaging Using a Self-Reset CMOS Image Sensor over 70-dB SNR (2022)
  • 著者名/発表者名: Kiyotaka Sasagawa, Pakpuwadon Thanet, Mark C. Guinto, Yasumi Ohta, Makito Haruta, Hironari Takehara, Hiroyuki Tashiro, Jun Ohta
  • 学会等名: 65TH IEEE INTERNATIONAL MIDWEST SYMPOSIUM ON CIRCUITS AND SYSTEMS (MWSCAS 2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Control and Measurement of Biological Functions by Light with Optoelectronic Devices (2022)
  • 著者名/発表者名: Jun Ohta
  • 学会等名: International Symposium on Imaging, Sensing, and Optical Memory 2022(ISOM2022)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of Compact Readout Device for Neural Observation System Using Fluorescence Imaging and Fast-Scan Cyclic Voltammetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Ronnakorn Siwadamrongpong, Nicha Sato, Kenji Sugie, Yasumi Ohta, Makito Haruta, Hironari Takehara, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Jun Ohta
  • 学会等名: The 44th International Engineering in Medicine and Biology Conference（EMBC22）
  • 国際学会
• [学会発表] 長期計測可能な脳血流・神経活動計測用イメージングデバイスの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: Makito Haruta, Mark Christian Guinto, Kazuki Kurasawa, Yasumi Ohta, Mamiko Kawahara, Hironari Takehara, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Jun Ohta
  • 学会等名: NEURO2022
• [学会発表] 光刺激にマイクロLEDアレイデバイスを用いたマウスVTA内のGABAニューロンとドーパミンニューロンの関係についての考察 (2022)
  • 著者名/発表者名: Y. Ohta, T. E. Murakami, M.C. Guinto, M. Kawahara, Y. M. Akay, H. Takehara, M. Haruta, H. Tashiro, K. Sasagawa, M. Akay, J. Ohta
  • 学会等名: NEURO2022
• [学会発表] Neuroimaging and modulation of the septo-hippocampal circuit using novel brain-implantable CMOS image sensors and micro-LEDs during seizure and epilepsy (2022)
  • 著者名/発表者名: Joshua Philippe Olorocisimo, Yasumi Ohta, Paul Rossener Regonia, Hironari Takehara, Makito Haruta, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Junichiro Yoshimoto, Kazushi Ikeda, Jun Ohta
  • 学会等名: NEURO2022
• [学会発表] CMOS Implantable Imaging Device and Mircrodialysis System for Observing Serotonergic Neurons During Nociception in Freely Moving Mice (2022)
  • 著者名/発表者名: Latiful Akbar, Yasumi Ohta, Mamiko Kawahara, Makito Haruta, Hironari Takehara, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Jun Ohta
  • 学会等名: NEURO2022
• [学会発表] Simultaneous imaging of hippocampal subfields in freely moving GCaMP transgenic mice using a novel implantable micro-imager (2022)
  • 著者名/発表者名: Mark Christian Guinto, Yasumi Ohta, Mamiko Kawahara, Hironari Takehara, Makito Haruta, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Jun Ohta
  • 学会等名: NEURO2022
• [学会発表] Implantable Optoelectronic Devices for Observation and Control of Biological Functions (2022)
  • 著者名/発表者名: Jun Ohta, Kiyotaka Sasagawa, Makito Haruta, Hironari Takehara, Hiroyuki Tashiro
  • 学会等名: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] CuO Nanoparticulate Modified Microelectrode for Neurotransmitters Detection by Fast-Scan Cyclic Voltammetry (2022)
  • 著者名/発表者名: Nicha Sato, Makito Haruta, Yasumi Ohta, Hironari Takehara, Hiroyuki Tashiro, Kiyotaka Sasagawa, Oratai Jongprateep, Jun Ohta
  • 学会等名: 2022 MRS Spring Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [備考] 光機能素子科学研究室
  • URL: https://mswebs.naist.jp/LABs/pdslab/index-j.html