一細胞レベル神経回路構築技術によるバイオAIの創出

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H04277
• 研究機関: 中央大学
• 研究代表者: 吉田 昭太郎 中央大学, 理工学部, 助教 (20785349)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 神経回路 / 培養神経細胞 / マイクロマシン工学 / マイクロパターニング / バイオAI

研究実績の概要

本研究では、神経回路を一細胞レベルで設計・構築可能にするデバイスを開発し、それにより神経情報処理の仕組み解明に寄与することを目的としている。開発には、微細加工によって神経細胞を一細胞レベルで制御可能なマイクロデバイスを生体適合性材料で構築する際の材料・サイズの設計、製作方法の検討と、神経細胞の培養による一細胞単位の制御性の確認のサイクルを繰り返すことによるプロセスの最適化が必要である。本年度は、独立研究室の初年度の立ち上げであることから、まず培養設備と細胞の評価設備およびデバイス製造環境を整え、それらを用いてデバイス製作の基礎的な検討を進めた。具体的には、主要な物品欄に記載の通り、薬用保冷庫・超低温フリーザー・バイオクリーンベンチ・CO2インキュベーター・冷却遠心機・超純水装置・オートクレーブ・培養顕微鏡を導入し。細胞の培養と評価が可能になるように各装置の立ち上げと実験系の構築を行った。また、デバイスの製作検討として、東京大学超微細リソグラフィー・ナノ計測拠点を利用することで、設計した単一神経細胞の形状である微細パターンをもつフォトマスクの製作、そのパターン通りに整形されたフォトレジストを有するシリコンウェーハの製作、さらにシリコーンゴムによる型どりによって、デバイス製作の基礎となるマイクロモールド群の構築を行った。構築したマイクロモールドによって細胞培養可能なマイクロパターンをガラス上に製作する条件検討を行い、また光硬化性ゼラチンを用いた新たなデバイスの製作プロセスについて検討した。これらの検討から、神経回路を一細胞レベルで設計・構築可能にするデバイスの製作プロセスの最適化を進めることが出来た。また、細胞培養設備が整ったことで、製作したデバイスに神経細胞を播種し、一細胞単位の制御性を評価することが可能になった。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

本年度は独立研究室一年目の立ち上げであり、装置と実験系の立ち上げと学生への実験手技の教育を行いながら進める必要があったが、新型コロナウイルス感染症の蔓延による所属大学の閉鎖と入構規制によって、4月から10月まで研究室の所属学生が全く大学に入構できず、研究代表者1名のみで研究を進めなければならないという厳しい状況であり、実験を行うための準備が想定していたよりも大きく立ち後れた。そのような中でも、所属大学の近隣にある東京大学超微細リソグラフィー・ナノ計測拠点の力を借りることが出来、微細加工プロセスによるデバイス製作検討が行えたが、当初の計画よりも検討の進捗および細胞培養とデバイス評価への移行がが遅れる結果となった。

今後の研究の推進方策

本年度に製作の検討を進めた単一神経細胞制御デバイスの最適化をしながら、神経細胞を培養し、その制御性を評価する。さらにヒトiPS細胞由来神経細胞を用いた制御の実証に取り組む。
依然として新型コロナウイルス感染症の蔓延が収まらない状況であり、感染症対策として必ずしも大学に毎日通えない・三密回避のために実験室に学生が全員は入れないなどの制約の中、本年度一緒に研究に取り組んだ学生と新しく所属した学生も含めて、必ずしも当初予定したとおりに実験を進められるということは難しいと感じている。一方で、熱意があり勤勉が学生が多く、研究代表者が予想もしていなかったデバイスの新たな製作法を提案するなど、計画以上の成果を得られる可能性も見えてきた。引き続き新しい生活様式の中で、困難を打ち破りつつ研究計画に記載した内容を実施していく予定である。