マルチスケールな時空間ニューロダイナミクスの計測と制御

2011 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 20240023
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 感性情報学・ソフトコンピューティング
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 郷原 一寿 北海道大学, 大学院・工学研究院, 教授 (40153746)
• 研究分担者: 内田 努 北海道大学, 大学院・工学研究院, 准教授 (70356575) ; 永山 昌史 北海道大学, 大学院・工学研究院, 助教 (70374585) ; 塩谷 浩之 室蘭工業大学, 工学部, 教授 (90271642)
• 研究期間 (年度): 2008 – 2011
• キーワード: ニューラルネットワーク / ダイナミクス / 培養神経細胞 / マルチスケール

研究概要

時間的には約10桁、空間的には約3桁に渡る極めて広いマルチスケールな時空間ニューロダイナミクスの計測と制御を行うことを目標に、多電極アレイ上で神経細胞を長期に渡って培養し、インパルスの信号検出およびネットワークの形成過程の観察を行う実験手法を構築し、得られたデータの解析を行うこと目的とした。その結果、多電極アレイ上で、ほぼ安定して数ヶ月以上の長期に渡る神経細胞培養の手法を確立した。また、培養したニューラルネットワークから、長期間連続して、インパルスが計測できるシステムを構築し、さらに、免疫蛍光染色によって、数ヶ月に渡ってネットワークの成長過程を、ニューロンの主要構成要素の変化として計測できる手法を確立した。ニューラルネットワークの基本問題に取り組むためのウェットな実験的研究基盤を独自に構築することが一つの大きな目標であったが、本研究で目的とした実験系の構築は達成され、さらにそれを適用し、重要な結果が得られた。本研究によって構築されたシステムおよび方法に対して、さらに改良を加えることで、時空間ニューロダイナミクスの基本的理解・解明と応用への展開が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Optimal temperature range for low-temperature preservation of dissociated neonatal rat cardiomyocytes (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Uchida, M. Nagayama, T. Taira, K. Shimizu, M. Sakai, K. Gohara
  • 雑誌名: Cryobiology 巻: 63(3) ページ: 279-284
  • DOI: doi:10.1016/j.cryobiol.2011.09.141
• [雑誌論文] Cell patterning using a template of microstructured organosilane layer fabricated by vacuum ultraviolet light lithography (2011)
  • 著者名/発表者名: M. Yamaguchi, K. Ikeda, M. Suzuki, A. Kiyohara, S. Kudoh, K. Shimizu, T. Taira, D. Ito, T. Uchida, and K. Gohara
  • 雑誌名: Langmuir 巻: 27(20) ページ: 12521-12532
  • DOI: doi:10.1021/la202904g
• [雑誌論文] Observation of Sintering of Clathrate Hydrates (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Uchida, T. Shiga, M. Nagayama, K. Gohara
  • 雑誌名: Energies 巻: 3(12) ページ: 1960-1971
  • DOI: doi:10.3390/en3121960
• [雑誌論文] Spherical shell structure of distribution of images reconstructed by diffractive imaging (2010)
  • 著者名/発表者名: H. Shioya, Y. Maehara, and K. Gohara
  • 雑誌名: J. Opt. Soc. Am. A 巻: 27(5) ページ: 1214-1218
  • DOI: doi:10.1364/JOSAA.27.001214
• [雑誌論文] Minimum neuron density for synchronized bursts in a rat cortical culture on multi-electrode arrays (2010)
  • 著者名/発表者名: D. Ito, H. Tamate, M. Nagayama, T. Uchida, S. Kudoh, and K. Gohara
  • 雑誌名: Neuroscience 巻: 171(1) ページ: 50-61
  • DOI: doi:10.1016/j.neuroscience.2010.08.038
• [雑誌論文] Contrary Effects of Octopamine Receptor Ligands on Behavioral and Neuronal Changes in Locomotion of Lymnaea (2010)
  • 著者名/発表者名: Y. Miyamae, M. Komuro, A. Murata, K. Aono, K. Nishikata, A. Kanazawa, Y. Fujito, T. Komatsu, D. Ito, T. Abe, M. Nagayama, T. Uchida, K. Gohara, J. Murakami, R. Kawai, D. Hatakeyama, K. Lukowiak, and E. Ito
  • 雑誌名: Biol. Bull 巻: 218 ページ: 6-14
• [雑誌論文] Beam-divergence deconvolution for diffractive imaging, Phys (2010)
  • 著者名/発表者名: K. Kawahara, K. Gohara, Y. Maehara, T. Dobashi, and O. Kamimura
  • 雑誌名: Rev. B 巻: 81(8)
  • DOI: doi:10.1103/PhysRevB.81.081404
• [雑誌論文] Shrinking and Development of Lipid Droplets in Adipocytes during Catecholamine-induced Lipolysis (2010)
  • 著者名/発表者名: M. Nagayama, K. Shimizu, T. Taira, T. Uchida, K. Gohara
  • 雑誌名: FEBS Lett 巻: 584(1) ページ: 86-92
  • DOI: doi:10.1016/j.febslet.2009.10.088
• [雑誌論文] Evaluation of viability of cryopreserved rat cardiac myocytes and effects of dimethyl sulfoxide concentration on cryopreservation (2009)
  • 著者名/発表者名: K. Miyamura, M. Nagayama, K. Gohara, T. Taira, K. Shimizu, M. Sakai, T. Uchida
  • 雑誌名: Cryobiology,2009 巻: 59(3) ページ: 375-375
  • DOI: doi:10.1016/j.cryobiol.2009.10.033
• [雑誌論文] Estimation of functional connectivity that causes burst-like population activities (2009)
  • 著者名/発表者名: M. Nomura, D. Ito, H. Tamate, K. Gohara and T. Aoyagi
  • 雑誌名: FORMA 巻: 24 ページ: 11-16
• [雑誌論文] Maximum entropy method for diffractive imaging (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Shioya and K. Gohara
  • 雑誌名: J. Opt. Soc. Am. A 巻: 25(11) ページ: 2846-2850
  • DOI: doi:10.1364/JOSAA.25.002846
• [雑誌論文] Automata on Fractal Sets Observed in Hybrid Dynamical Systems (2008)
  • 著者名/発表者名: J. Nishikawa and K. Gohara
  • 雑誌名: International Journal of Bifurcation and Chaos 巻: 18(12) ページ: 3665-3678
  • DOI: doi:10.1142/S0218127408022639
• [雑誌論文] Anomaly of fractal dimensions observed in stochastically switched systems (2008)
  • 著者名/発表者名: J. Nishikawa and K. Gohara
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 77
  • DOI: doi:10.1103/PhysRevE.77.036210
• [雑誌論文] Xenon-induced inhibition of synchronized bursts in a rat cortical neuronal network
  • 著者名/発表者名: T. Uchida, S. Suzuki, Y. Hirano, D. Ito, M. Nagayama, K. Gohara
  • 雑誌名: Neuroscience, in press
  • DOI: doi:10.1016/j.neuroscience.2012.03.063
• [学会発表] Long-term measurement of network dynamics in a rat neuronal culture using multi-electrode arrays and immunofluorescence imaging (2011)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: 日本神経回路学会第21回全国大会
  • 発表場所: 沖縄科学技術大学院大学(沖縄)
  • 年月日: 2011-12-16
• [学会発表] Network confluence in long-term culture of rat cortical neurons Neuroscience 2011 (2011)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: Society for Neuroscience
  • 発表場所: Walter E. Washington Convention Center, Washington, DC (USA).
  • 年月日: 2011-11-15
• [学会発表] Spatiotemporal measurement of cultured neuronal networks using multi-electrode arrays and immunofluorescence imaging (2011)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: 第26回生体・生理工学シンポジウム
  • 発表場所: 立命館大学びわこくさつキャンパス(滋賀県)
  • 年月日: 2011-09-22
• [学会発表] 多電極アレイと免疫蛍光イメージングによる培養神経回路網の長期時空間ダイナミクス計測 (2011)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: 第49回日本生物物理学会年会
  • 発表場所: 兵庫県立大学姫路書写キャンパス(兵庫県)
  • 年月日: 2011-09-18
• [学会発表] Network confluence in a rat neuronal culture (2011)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: 第34回日本神経科学大会
  • 発表場所: パシフィコ横浜(神奈川県)
  • 年月日: 2011-09-15
• [学会発表] 同期バーストが生じるニューラルネットワークの最小サイズ (2011)
  • 著者名/発表者名: 伊東大輔
  • 学会等名: 2010年度日本生物物理学会北海道支部例会
  • 発表場所: 北大理(札幌)
  • 年月日: 2011-03-08
• [学会発表] Neuronal cell patterning on commercial multielectrode arrays (2010)
  • 著者名/発表者名: K. Ikeda
  • 学会等名: PACIFICHEM 2010
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii, Hawaii Convention Centre (USA)
  • 年月日: 2010-12-15
• [学会発表] 脂肪分解刺激によって脂肪滴収縮と同時に起こる脂肪滴生成:遊離脂肪酸の再取り込み (2010)
  • 著者名/発表者名: 永山昌史
  • 学会等名: 第31回日本肥満学会
  • 発表場所: 前橋テルサ(前橋)
  • 年月日: 2010-10-01
• [学会発表] Immunofluorescence investigation for the distribution of excitatory and inhibitory synapses in the development of cultured neural networks (2010)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: 日本生物物理学会第48回年会
  • 発表場所: 東北大川内キャンパス(仙台)
  • 年月日: 2010-09-21
• [学会発表] 神経細胞接着性に及ぼす表面組成の影響 (2010)
  • 著者名/発表者名: 池田光二
  • 学会等名: 日本化学会北海道支部2010年夏季研究発表会
  • 発表場所: 函館高専(函館)
  • 年月日: 2010-07-24
• [学会発表] Simple model of a neuronal network reproducing synchronous bursts (2010)
  • 著者名/発表者名: M. Nomura
  • 学会等名: 7th International Meeting of Substrate-Integrated Micro Electrode Arrays
  • 発表場所: Friedrich-List-Halle, Reutlingen(Germany)
  • 年月日: 2010-07-01
• [学会発表] Long-term measurement of excitatory and inhibitory synapse densities with electrical activity during development of cultured cortical neurons (2010)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: 7th International Meeting of Substrate-Integrated Micro Electrode Arrays
  • 発表場所: Friedrich-List-Halle, Reutlingen(Germany)
  • 年月日: 2010-06-30
• [学会発表] Simultaneous Shrinking and Development of Lipid Droplets in Adipocytes Stimulated with Catecholamine (2010)
  • 著者名/発表者名: Masafumi Nagayama
  • 学会等名: 第62回日本細胞生物学会大会
  • 発表場所: 大阪国際会議場(大阪)
  • 年月日: 2010-05-21
• [学会発表] ラット大脳皮質分散培養系における興奮・抑制シナプスおよび電気的活動の長期測定 (2010)
  • 著者名/発表者名: 小松拓美
  • 学会等名: 2009年度日本生物物理学会北海道支部例会
  • 発表場所: 北大理(札幌)
  • 年月日: 2010-03-08
• [学会発表] Catecholamine-induced apparent fragmentation of lipid droplets in adipocytes (2009)
  • 著者名/発表者名: M. Nagayama
  • 学会等名: 49th Annual meeting of ASCB
  • 発表場所: San Diego, San Diego Convention Center (U.S.A.)
  • 年月日: 2009-12-05
• [学会発表] Immunofluorescence imaging and electrical activity during long-term development of cultured neuronal networks (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Komatsu
  • 学会等名: 日本生物物理学会47回年会
  • 発表場所: アスティ徳島(徳島)
  • 年月日: 2009-10-30
• [学会発表] Spatial analysis of cultured cortical networks exhibiting synchronized bursts on multi-electrode arrays (2009)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: NEUROSCIENCE 2009
  • 発表場所: McCormic Place (Chicago, USA)
  • 年月日: 2009-10-19
• [学会発表] How many neurons do we need to record synchronized bursts in dissociated culture on multi-electrode arrays? (2009)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: 第32回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(名古屋)
  • 年月日: 2009-09-18
• [学会発表] Estimated connections that capture population burst-like activities (2009)
  • 著者名/発表者名: M. Nomura
  • 学会等名: 第32回日本神経科学大会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場(名古屋)
  • 年月日: 2009-09-16
• [学会発表] 真空紫外光エッチングによる有機シラン層パターニングを用いた細胞配列 (2009)
  • 著者名/発表者名: 山口宗宏
  • 学会等名: 2009年秋季第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山大(富山)
  • 年月日: 2009-09-08
• [学会発表] 種々の表面における神経細胞接着性の検討 (2009)
  • 著者名/発表者名: 池田光二
  • 学会等名: 2009年秋季第70回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 富山大(富山)
  • 年月日: 2009-09-08
• [学会発表] 細胞接着物質のパターン形成と初代培養細胞のパターニング (2009)
  • 著者名/発表者名: 山口宗宏
  • 学会等名: 日本化学会北海道支部夏季研究発表会
  • 発表場所: 苫小牧工専(苫小牧)
  • 年月日: 2009-07-11
• [学会発表] VUVエッチングによるパターン化有機シラン層を鋳型とした細胞配列 (2009)
  • 著者名/発表者名: 山口宗宏
  • 学会等名: 日本化学会第89春季年会
  • 発表場所: 日大理工船橋(千葉)
  • 年月日: 2009-03-29
• [学会発表] 神経活動データを基にした回路網の推定 (2009)
  • 著者名/発表者名: 野村真樹
  • 学会等名: 日本物理学会第64回年次大会
  • 発表場所: 立教大学(東京)
  • 年月日: 2009-03-28
• [学会発表] Cell patterning based on the micro-structured organosilane layer fabricated by VUV lithography, 1st (2009)
  • 著者名/発表者名: M. Yamaguchi
  • 学会等名: Int. Conf. on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials
  • 発表場所: Tours, the Vinci Convention Center(France)
  • 年月日: 2009-03-16
• [学会発表] 麻酔性キセノンガスによる神経細胞の電気的活動抑制効果 (2009)
  • 著者名/発表者名: 鈴木翔太郎
  • 学会等名: 平成20年度北大細胞生物研究集会
  • 発表場所: 北大理(札幌)
  • 年月日: 2009-03-10
• [学会発表] 真空紫外光エッチングによるパターニングを用いた神経細胞配列 (2009)
  • 著者名/発表者名: 山口宗宏
  • 学会等名: 2008年度日本生物物理学会北海道支部例会
  • 発表場所: 北海道大学工学研究科(札幌)
  • 年月日: 2009-03-09
• [学会発表] ニューラルネットワーク時空間ダイナミクスの長期計測 (2009)
  • 著者名/発表者名: 玉手宏基
  • 学会等名: 日本生物物理学会北海道支部例会
  • 発表場所: 北海道大学工学部(札幌)
  • 年月日: 2009-03-09
• [学会発表] The system for long-term measurement of neural network dynamics (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Tamate
  • 学会等名: 日本生物物理学会第46回年会
  • 発表場所: 福岡国際会議場(福岡)
  • 年月日: 2008-12-05
• [学会発表] Immunocytochemstry of neurons in low-density culture on multi-electrode arrays is effective for identification of action-potential pathway (2008)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: Neuroscience 2008
  • 発表場所: Washington DC, International Conference Center (USA)
  • 年月日: 2008-11-19
• [学会発表] Estimation of functional connectivity on cultured neuronal networks, Dynamics Days Asia Pacific 5 (2008)
  • 著者名/発表者名: M. Nomura
  • 学会等名: The 5^<th> International Conference on Nonlinear Science
  • 発表場所: Nara Prefectual New Public Hall (Nara, Japan)
  • 年月日: 2008-09-11
• [学会発表] Estimation of neurronal functional connectivity of cultured neuronal networks (2008)
  • 著者名/発表者名: M. Nomura
  • 学会等名: 第31回日本神経科学会年会
  • 発表場所: Tokyo International Forum (Tokyo, Japan)
  • 年月日: 2008-07-11
• [学会発表] Analysis of neural-network dynamics using multi-electrode arrays (2008)
  • 著者名/発表者名: H. Tamate
  • 学会等名: 第31回日本神経科学会年会
  • 発表場所: Tokyo International Forum (Tokyo, Japan)
  • 年月日: 2008-07-10
• [学会発表] Immunostainig for Identification of Neuronal-Impulse Pathway on Multielectrode Arrays (2008)
  • 著者名/発表者名: D. Ito
  • 学会等名: Proceedings of MEA Meeting 2008
  • 発表場所: Friedrich-List-Halle (Reutlingen, Germany)
  • 年月日: 2008-07-09