次世代光刺激装置の開発

2012 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 24650214
• 研究機関: 埼玉大学
• 研究代表者: 中井 淳一 埼玉大学, 脳科学融合研究センター, 教授 (80237198)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2013-03-31
• キーワード: 光遺伝学 / オプトジェネティクス / 第二高調波発生 / 極長短赤外線パルスレーザー / KTN結晶

研究概要

近年、チャネルロドプシン等（Yizharら, Neuron, 2011）の光感受性機能分子が飛躍的な発展を見せ、神経回路機能の研究に大きく寄与するようになってきた。本研究は、光感受性機能分子を励起するための光刺激装置の開発に関する研究である。細胞やシナプスなど光刺激したいターゲットは脳内に3次元的に分布している事が多い。細胞などを局所的に光活性化する方法としてレーザーのピンポイント照射、Digital Mirror Device(DMD)やLiquid Crystal On Silicon(L-COS）を用いた多点照射などがある。しかし、いずれも2次元の技術であり、Z軸方向の移動には瞬時におこなうことができないため3次元空間の複数のポイントに瞬時に自由にレーザー照射を行うことは困難である。そこで、本研究では新たに可視光レーザーの焦点調節を現在主流の圧電素子を使用した高速技術より1000～10000倍高速化した顕微鏡用光刺激装置の開発をおこなった。レーザー光源としてチタンサファイアによる極長短赤外線パルスレーザーを用いた。高速焦点移動にはタンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN)結晶を使用した可変焦点レンズを用い、KTN結晶に0V～1000Vまでの電圧を加えて焦点調節を行った。KTN結晶は電気光学（EO）デバイスであり、高速動作が可能である。0Vから900V負荷時では～23マイクロ秒で焦点移動した。赤外線を可視光に変換するために非線形光学現象を利用しバリウムボレート（BBO）結晶および周期分極反転させたチタン酸リン酸カリウム(ppKTP)結晶を用いて第二高調波発生(SHG)の原理で可視光を発生させた。このレーザー光を顕微鏡に導入し、焦点移動を確認した。本技術開発により光操作技術が飛躍的に進歩し、それを利用する脳科学を含む自然科学、および工業分野で大きな前進が期待できる。

研究成果

• [雑誌論文] Real-time visualization of neuronal activity during perception. (2013)
  • 著者名/発表者名: Muto A, Ohkura M, Abe G, Nakai J, Kawakami K.
  • 雑誌名: Curr Biol. 巻: 23 ページ: 307-311
  • DOI: 10.1016/j.cub.2012.12.040.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Astrocytic Ca2+ signals are required for the functional integrity of tripartite synapses. (2013)
  • 著者名/発表者名: Tanaka M, Shih PY, Gomi H, Yoshida T, Nakai J, Ando R, Furuichi T, Mikoshiba K, Semyanov A, Itohara S.
  • 雑誌名: Mol Brain 巻: 6 ページ: 6
  • DOI: 10.1186/1756-6606-6-6
  • 査読あり
• [雑誌論文] Cilia at the Node of Mouse Embryos Sense Fluid Flow for Left-Right Determination via Pkd2. (2012)
  • 著者名/発表者名: Yoshiba S, Shiratori H, Kuo IY, Kawasumi A, Shinohara K, Nonaka S, Asai Y, Sasaki G, Belo JA, Sasaki H, Nakai J, Dworniczak B, Ehrlich BE, Pennekamp P, Hamada H.
  • 雑誌名: Science 巻: 338 ページ: 226-231
  • DOI: 10.1126/science.1222538
  • 査読あり
• [雑誌論文] Expanding the repertoire of optogenetically targeted cells with an enhanced gene expression system. (2012)
  • 著者名/発表者名: Tanaka KF, Matsui K, Sasaki T, Sano H, Sugio S, Fan K, Hen R, Nakai J, Yanagawa Y, Hasuwa H, Okabe M, Deisseroth K, Ikenaka K, Yamanaka A.
  • 雑誌名: Cell Rep 巻: 2 ページ: 397-406
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2012.06.011
  • 査読あり
• [雑誌論文] An improved genetically encoded red fluorescent Ca2+ indicator for detecting optically evoked action potentials. (2012)
  • 著者名/発表者名: Ohkura M, Sasaki T, Kobayashi C, Ikegaya Y, Nakai J
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 7 ページ: e39933
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0039933
  • 査読あり
• [雑誌論文] Genetically Encoded Green Fluorescent Ca2+ Indicators with Improved Detectability for Neuronal Ca2+ Signals. (2012)
  • 著者名/発表者名: Ohkura M, Sasaki T, Sadakara J, Gengyo-Ando K, Kagawa-Nagamura K, Kobayashi C, Ikegaya Y, Nakai J
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 7 ページ: e51286
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0051286
  • 査読あり
• [学会発表] Development and application of G-CaMP-type genetically encoded Ca2+ indicators. (2012)
  • 著者名/発表者名: Ohkura M, Nakai J
  • 学会等名: 2012 Fall Janelia Conference “Fluorescent Proteins and Biological Sensors III.”
  • 発表場所: Ashburn USA
  • 年月日: 20121104-20121107
  • 招待講演
• [学会発表] Dynamic neuromuscular regulation in freely crawling C. elegans: multicellular Ca2+ imaging using G-CaMPs. (2012)
  • 著者名/発表者名: Gengyo-Ando K, Usami A, Kagawa-Nagamura Y, Ohkura M, Ikegaya Y, Matsuki N, Nakai J
  • 学会等名: 第35回神経科学学会年会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場
  • 年月日: 20120918-20120921
  • 招待講演
• [備考] 埼玉大学脳科学融合研究センター
  • URL: http://subsi.saitama-u.ac.jp/