ダイヤモンド表面での実神経細胞回路構築とＮＶセンタを用いた自発発火活動の長期計測

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K19026
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• キーワード: 神経細胞 / ダイヤモンド / ＮＶセンタ / 自発発火

研究実績の概要

光検出磁気共鳴計測を活用してダイヤモンド表面に構築した神経細胞回路の自発発火を表面近傍のＮＶセンターを介して計測できる手法を構築する。具体的には，（１）ガラス基板上で培ってきた，表面マイクロパターニングによる神経細胞回路の構築法を，これまで神経細胞足場として活用されたことがないダイヤモンド表面でも実行可能にする第１段階と，（２）ダイヤモンド表面に構築した実神経細胞回路を伝搬するパルス電流を，ＮＶセンタを磁気プロ―ブとする光検出磁気共鳴法によって，リアルタイムかつ長期間にわたって計測できる方法論を構築する第２段階とからなる。
2019年度には、実神経細胞のダイヤモンド表面での成長を阻害せずに光検出磁気共鳴計測を行えるシステム構築を行った。具体的には、0.2mm厚のIIaダイヤモンド基板をガラスボトムディッシュの底面に固定し、ダイヤモンド表面を細胞培養液に浸漬したまま、ダイヤモンド表面近傍に形成したNVセンターの電子スピン操作を行うためのセットアップの構築、加えて、裏面からのレーザ照射により、ダイヤモンド基板を介して、表面近傍の単一NVセンターからの単一光子計測を行えるセットアップの構築を実行した。ダイヤモンド基板を介した蛍光検出では、ＳＮ比の低下が見られたが、ゼロ磁場および静磁場において光検出磁気共鳴計測を実行できることを実験的に確かめることができた。
一方、基板表面に円形細胞接着療育をパターニングして、オータプス接続のみをもつように孤立した状態で単一ニューロン成長させ、その自発発火パターンを解析した。シミュレーションとの突合により、この自発発火パターンが大きく３種類に分類できること、さらには、それらがＡＭＰＡ電流とＮＭＤＡ電流の割合によることを明らかにした。

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

２０１８年度に自作した小型の細胞培養装置が、やはりそれまでに自作されていた共焦点顕微鏡のステージに整合性よくマウントできると同時に、自作による設計の自由度を高く保てたため。

今後の研究の推進方策

上記の（１）第１段階と，（２）第２段階とのうち、２０２０年度に（２）に移行する。
第２段階では、下記①から③の実験を通して、ダイヤモンド上の神経細胞回路の自発発火をＮＶセンターで捕捉する：①単一ＮＶセンター配列およびアンサンブル系（δドープ層）上に構築したモデル系（金属配線等）を用いた直流磁場計測、②単一ＮＶセンター配列上への神経細胞回路のアライメントおよび長期培養と自発発火計測、③ＮＶセンターのアンサンブル系（δドープ層）での長期培養と自発発火計測を試みる。

研究成果

• [国際共同研究] Ulm University(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Ulm University
• [国際共同研究] CNR(イタリア)
  • 国名: イタリア
  • 外国機関名: CNR
• [雑誌論文] Triple nitrogen-vacancy centre fabrication by C5N4Hn ion implantation (2019)
  • 著者名/発表者名: M.Haruyama, S.Onoda, T.Higuchi, W.Kada, A.Chiba, Y.Hirano, T.Teraji, R.Igarashi, S.Kawai, H.Kawarada, Y.Ishii, R.Fukuda, T.Tanii, J.Isoya, T.Ohshima, O.Hanaizum
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 10 ページ: 2664
  • DOI: 10.1038/s41467-019-10529-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 単一NVセンター規則配列と単一細胞パターニングを用いた神経細胞回路の自発発火パターンの長期計測に向けて (2019)
  • 著者名/発表者名: 谷井孝至、石田実穂子、石井邑
  • 学会等名: 量子生命科学会第1回大会
• [学会発表] Synaptic plasticity in an isolated single autaptic neuron on a micropattern (2019)
  • 著者名/発表者名: Akira Nakanishi, Kouhei Hattori, Takeshi Hayakawa, Mihoko Ishida, Hekiru Kurakake, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • 学会等名: 日本神経回路学会 第29回全国大会
• [学会発表] 2本針型刺激電極の試作とマイクロパターン上神経細胞回路への刺激導入に関する実行可能性評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 服部 晃平、鞍掛 碧流、今井 絢子、橋本 拓弥、佐藤 晃揮、髙橋 穂乃歌、早川 岳志、山本 英明、平野 愛弓、谷井 孝至
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Microcontact printing of scaffold proteins for engineering neuronal network functions (2019)
  • 著者名/発表者名: Hideaki Yamamoto, Satoshi Moriya, Katsuya Ide, Takeshi Hayakawa, Hisanao Akima, Shigeo Sato, Shigeru Kubota, Michio Niwano, Sara Teller, Jordi Soriano, Takashi Tanii, Ayumi Hirano-Iwata
  • 学会等名: The 4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development
  • 国際学会
• [学会発表] A computational study on the spontaneous firing pattern of single autaptic neurons -The contribution of AMPA and NMDA current- (2019)
  • 著者名/発表者名: Mihoko Ishida, Kouhei Hattori, Akira Nakanishi, Takeshi Hayakawa, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • 学会等名: The 4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development
  • 国際学会
• [学会発表] An experimental study on the spontaneous firing of single isolated autaptic neurons using micropatterned substrates (2019)
  • 著者名/発表者名: Honoka Takahashi, Koki Sato, Mihoko Ishida, Soichiro Oguma, Takeshi Hayakawa, Kouhei Hattori, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • 学会等名: The 4th International Symposium on Creation of Life Innovation Materials for Interdisciplinary and International Researcher Development
  • 国際学会
• [学会発表] Self-align fabrication of nano-reservoir with NV center in diamond surface for nuclear magnetic resonance of small molecules (2019)
  • 著者名/発表者名: Kazuto Kawakatsu, Yu Ishii, Yuki Hata, Yuta Saito, Kosuke Nakamura, Kirou Nagaoka, Takahiro Sonoda, Tetsuya, Tatsuishi, Tokuyuki Teraji, Shinobu Onoda, Taisei Higuchi, Keisuke Yamada, Takeshi Oshima, Takahiro Shinada, Hiroshi Kawarada, Wataru Kada, Osamu Hanaizumi, Junichi Isoya and Takashi Tanii
  • 学会等名: 32nd International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • 国際学会
• [学会発表] An experimental study on the spontaneous firing of single isolated neurons in autaptic culture using micropatterned substrates (2019)
  • 著者名/発表者名: Kouhei Hattori, Koki Sato, Honoka Takahashi, Soichiro Oguma, Mihoko Ishida, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • 学会等名: the 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] Junko Imai, Hekiru Kurakake, Takuya Hashimoto, Kouhei Hattori, Koki Sato, Honoka Takahashi, Soichiro Oguma, Mihoko Ishida, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii (2019)
  • 著者名/発表者名: Junko Imai, Hekiru Kurakake, Takuya Hashimoto, Kouhei Hattori, Koki Sato, Honoka Takahashi, Soichiro Oguma, Mihoko Ishida, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • 学会等名: the 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • 国際学会
• [学会発表] 高分解能ナノ NMR に向けたダイヤモンドへの NV センターと微小容器の一括形成 (2019)
  • 著者名/発表者名: 齋藤悠太、石井邑、川勝一斗、永岡希朗、畑雄貴、中村洸介、榎田尊昭、徐海州、薗田隆弘、立石哲也、金久京太郎、寺地徳之、小野田忍、樋口泰成、山田圭介、大島武、品田高宏、川原田洋、加田渉、花泉修、磯谷順一、谷井孝至
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] マイクロパターン上の神経細胞への2針電極による刺激とその応答計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 鞍掛 碧流, 服部 晃平, 今井 絢子, 橋本 拓弥, 佐藤 晃揮, 髙橋 穂乃歌, 小熊 奏一郎, 石田 実穂子, 山本 英明, 平野 愛弓, 谷井 孝至
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会