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2020 年度 実績報告書

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

研究課題

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
キーワードダイヤモンド / NVセンタ / 神経細胞回路 / 自発発火
研究実績の概要

ダイヤモンド表面での実神経細胞回路の構築とNVセンタを用いた自発発火活動の長期計測を目的として研究を進めた。前者に関しては、昨年度までに、ダイヤモンド表面を細胞接着分子と非接着分子でパターニングし、パターン上でラット大脳皮質神経細胞、または、ラット海馬神経細胞の初代培養(約20日間)を行うことにより達成できる実験結果を得ていた。後者に関しては、NVセンタの電荷安定性と感度に課題が残り、これらを向上させる改良が2020年度に必要となっていた。ナノ構造中にNVセンタを形成することで、これを達成することを計画していたが、コロナウィルスによる実験設備使用上の制限などにより、現時点で、NVセンタを用いた自発発火活動の計測に成功していない。一方、構築される実神経細胞回路がどのような自発発火パターンを示すか、についてのシミュレーションを積極的に進め、これに関して、下記の成果を得た。
表面パターン上の接着領域内に単一神経細胞が1個だけで接着するように分散して、孤立した状態で成長させると、この単一神経細胞の軸索は自身の樹状突起とのシナプス結合(オータプス)のみを形成する。このようなオータプスは、神経細胞回路の最小の帰還接続と見なせる。このようにして成長したオータプスが、その細胞の長期間の自発発火の結果、どのような振る舞いを見せるかについて、ホジキン-ハックスレイモデルにスパイク依存性可塑性を加えた単一神経細胞モデルをシミュレーション上に構築した。その結果、帰還接続を伝搬する伝搬遅延時間に応じて、オータプスの接続強度が増強、または、抑圧されることを見出した。さらに、この結果はオータプスのみならず、複数細胞を経由する一般的な帰還接続でも起こりうることを見出した。これは、帰還接続を有する神経細胞回路のシナプス強度の時間変化に関する一般的な原理の1つになりえる。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)

  • [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] Selective Stimulation of a Target Neuron in Micropatterned Neuronal Circuits Using a Pair of Needle Electrodes2021

    • 著者名/発表者名
      K. Hattori, H. Kurakake, J. Imai, T. Hashimoto, M. Ishida, K. Sato, H. Takahashi, S. Oguma, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
    • 雑誌名

      Electrochemistry

      巻: なし ページ: 21-00032

    • DOI

      10.5796/electrochemistry.21-00032

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Role of Noise in Spontaneous Activity of Networks of Neurons on Patterned Silicon Emulated by Noise--activated CMOS Neural Nanoelectronic Circuits2021

    • 著者名/発表者名
      Ramin Hasani, Giorgio Ferrari, Hideaki Yamamoto, Takashi Tanii, Enrico Prati
    • 雑誌名

      Nano Express

      巻: 未定 ページ: 100438

    • DOI

      10.1088/2632-959X/abf2ae

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Contribution of AMPA and NMDA receptors in the spontaneous firing patterns of single neurons in autaptic culture2020

    • 著者名/発表者名
      K. Hattori, T. Hayakawa, A. Nakanishi, M. Ishida, H. Yamamoto, A. Hirano-Iwata, T. Tanii
    • 雑誌名

      Biosystems

      巻: 198 ページ: 104278

    • DOI

      10.1016/j.biosystems.2020.104278

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] マイクロパターン上の神経回路における標的ニューロンへの二本針電極を用いた選択的刺激2021

    • 著者名/発表者名
      小熊奏一郎,服部晃平,鞍掛碧流,今井絢子,石田実穂子,髙橋穂乃歌,山本英明,平野愛弓,谷井孝至
    • 学会等名
      2021年 第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] Extracellular stimulation of a target neuron in a micropatterned neuronal circuit using a pair of needle electrodes2020

    • 著者名/発表者名
      Kouhei Hattori, Mihoko Ishida, Honoka Takahashi, Soichiro Oguma, Takashi Tanii, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata
    • 学会等名
      The 8th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer, BFBC 2020
    • 国際学会
  • [学会発表] Extracellular stimulation of a target neuron in micro-patterned neuronal circuits using a pair ofneedle electrodes2020

    • 著者名/発表者名
      Kouhei Hattori, Hekiru Kurakake, Junko Imai, Takuya Hashimoto, Mihoko Ishida, Koki Sato, Honoka Takahashi, Soichiro Oguma, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata,Takashi Tanii
    • 学会等名
      PRIME2020
    • 国際学会
  • [学会発表] オータプス伝搬遅延によるSTDPシナプスの淘汰: 孤立した単一神経細胞に関する数理モデル化2020

    • 著者名/発表者名
      石田実穂子, 中西彬, 服部晃平, 山本英明, 平野愛弓, 谷井孝至
    • 学会等名
      日本神経回路学会全国大会(JNNS2020)

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公開日: 2021-12-27  

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