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2021 年度 実績報告書

脳深部神経回路の高時空間分解能観察デバイスの開発

研究課題

研究課題/領域番号 20J23439
研究機関奈良先端科学技術大学院大学

研究代表者

杉江 謙治  奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2023-03-31
キーワードCMOSイメージセンサ / 生体埋植デバイス / マルチモーダルセンシング / マウス脳機能計測
研究実績の概要

マウス脳内でイメージングと細胞外電位を同時計測可能な生体埋植マルチモーダルセンサの開発にあたり,センサの設計,記録電極や励起光除去フィルタの実装,麻酔下マウスでのin vivo実験を行った.
細胞外記録機能を搭載するために実装した神経アンプのゲイン周波数特性や入力換算雑音が目的の細胞外電位計測に適した特性を持つことを確認した.埋植用にデバイスの実装を行い,GCaMPが発現した麻酔下マウスの海馬領域でイメージングと細胞外電位の同時計測を行った.実験結果として刺激にカイニン酸を腹腔投与した後に輝度変化と電位波形の変化を記録した.現在は取得データの解析を行っている.
得られた研究成果は国内学会および国際学会でそれぞれ2件発表を行った.なお,動物実験は奈良先端大の動物実験倫理規定に準拠して行われた.

現在までの達成度 (区分)
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

マウス脳神経活動のイメージングおよび細胞外電位の同時計測を達成するために,①マルチモーダルセンサの設計,②センサへの励起光除去フィルタおよび記録電極の実装,③麻酔下マウス海馬領域でのin vivo実験を行った.
①微弱な細胞外電位増幅のために搭載した神経アンプが700 mHzから3 kHzで39 dBの増幅率を示すことを確認した.これは電極オフセットを除去しつつ,神経活動帯域の微弱な信号を増幅するのに適している.②波長450 nm程度の励起光を除去し波長550 nm程度の蛍光を選択的に検出するために,吸収フィルタと干渉フィルタをセンサ上に実装した.また,作製の容易さからボールボンディングを用いてAu記録電極をセンサ上に作製した.③作製したデバイスを麻酔下マウスの海馬領域に埋植して,イメージングと細胞外電位の同時計測を行った.てんかん発作を起こすカイニン酸を腹腔投与することで,輝度変化率と電位波形の変化を観察した.現在は取得した結果のデータ解析を進めている.なお,動物実験は奈良先端大の動物実験倫理規定に準拠して行われた.

今後の研究の推進方策

作製したマルチモーダルセンサで行う動物実験サンプル数を増やし,実験結果のデータ解析を進めていく.得られた研究成果を論文として投稿する.
マルチモーダルセンサのイメージング性能に関して,空間分解能を向上させるために角度選択画素を搭載したセンサの開発を進める.また,イメージングと細胞外記録で同一領域を計測できるように,画素アレイ上に記録電極が作製可能なプロセスの検討を行う.画素のトップメタル層を細胞外電位計測のための信号線として利用することを検討している.新規に作製したセンサの基本機能を実証した後に,マウスに適用し空間分解能の向上および細胞外電位計測機能の実証を進める.

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Miniaturized LED light source with an excitation filter for fluorescent imaging2021

    • 著者名/発表者名
      Azmer Mohamad Izzat、Sasagawa Kiyotaka、Rustami Erus、Sugie Kenji、Ohta Yasumi、Haruta Makito、Takehara Hironari、Tashiro Hiroyuki、Ohta Jun
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 60 ページ: SBBG07~SBBG07

    • DOI

      10.35848/1347-4065/abe5bf

    • 査読あり
  • [学会発表] イメージングおよび細胞外電位同時計測機能を有する生体埋植マルチモーダルセンサ2022

    • 著者名/発表者名
      杉江 謙治, 笹川 清隆 , 岡田 竜馬, 竹原 浩成, 春田 牧人, 田代 洋行, 太田 淳
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季講演会
  • [学会発表] 蛍光イメージングと細胞外電位の同時計測を可能にする生体埋植CMOSセンサの試作2021

    • 著者名/発表者名
      杉江謙治
    • 学会等名
      d.lab-VDECデザイナーズフォーラム
  • [学会発表] Implantable CMOS Image Sensor with a Neural Amplifier for Simultaneous Recording of Optical andElectrophysiological Signals2021

    • 著者名/発表者名
      Kenji Sugie, Kiyotaka Sasagawa, Yasumi Ohta, Hironari Takehara, Makito Haruta, Hiroyuki Tashiro, Jun Ohta
    • 学会等名
      BioCAS2021
    • 国際学会
  • [学会発表] Implantable CMOS Image Sensor with Neural Amplifier for Imaging and Electrophysiological Recording2021

    • 著者名/発表者名
      Kenji Sugie, Kiyotaka Sasagawa, Hironari Takehara, Makito Haruta, Hiroyuki Tashiro, Jun Ohta
    • 学会等名
      10th International IEEE EMBS Conference on Neural Engineering(NER'21)
    • 国際学会

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公開日: 2022-12-28  

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