脳内双方向通信マイクロフォトニックデバイスの研究

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26249051
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 太田 淳 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 教授 (80304161)
• 研究分担者: 田村 英紀 星薬科大学, 付置研究所, 講師 (80437516)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 生体内埋植デバイス / CMOSイメージセンサ / 光遺伝学

研究実績の概要

１．埋植デバイス高性能化：デバイスの低侵襲化を引き続き行い，侵襲性を免疫染色等で評価した．また既に奈良先端大で導入している光応答膜タンパクであるChR2を導入した遺伝子改変マウスを用いて埋植デバイスによる神経細胞への光刺激を行う実験を行った．連携研究者徳田が以前設計したチップを元に新たに光電気刺激可能な小型チップを設計した．光電気刺激機能はイメージングチップ上への集積化と別チップとするものとを試作する． これらの試作には本年度申請のマイクロチップ電気光学特性評価設備を用いる．
２．ネットワーク回路との双方向通信：前年度に引き続き海馬と扁桃体など複数部位への埋植を行い），複数部位間の神経活動における関係性を評価した．GABA以外にドーパミンについても遺伝子改変マウスを用いて側座核等への埋植によりその活性を計測した．
３．生体外通信方式：昨年度検討した方式を元に，光による生体外通信方式についての検討を進め，チップの試作を行い画像通信に成功した．

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

当初予定の3つの項目，１．埋植デバイス高性能化，２． ネットワーク回路との双方向通信，３．生体外通信方式の各々について，当初の計画に沿った内容の成果を得ることができたため．なお生体外通信方式は，RFではなく光で行うことを現在進めており，これは当初計画になかったことであるが，現状同様な効果を発揮する方式として検討を進めている．

今後の研究の推進方策

3つの研究項目のうち，１． 埋植デバイス高性能化，２． ネットワーク回路との双方向通信に関しては，当初の計画通りに進めていく．３．生体外通信方式についてはこれまで光通信方式について検討を進め，チップ試作等を行い，一定の成果を収めているが，今後はRF方式についても実験を行っていく．

研究成果

• [雑誌論文] Implantable micro-optical semiconductor devices for optical theranostics in deep tissue (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Yuji Katsuragi, Yasumi Ohta, Mayumi Motoyama, Hironari Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 雑誌名: Applied Physics Express (APEX) 巻: 9 ページ: 047001-1~4
  • DOI: 10.7567/APEX.9.047001
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Optical communication with brain cells by means of an implanted duplex micro-device with optogenetics and Ca2+ fluoroimaging (2016)
  • 著者名/発表者名: Takuma Kobayashi, Makito Haruta, Kiyotaka Sasagawa, Miho Matsumata, Kawori Eizumi, Chikara Kitsumoto, Mayumi Motoyama, Yasuyo Maezawa, Yasumi Ohta, Toshihiko Noda, Takashi Tokuda, Yasuyuki Ishikawa, Jun Ohta
  • 雑誌名: Scientific Reportｓ 巻: 6 ページ: 1~13
  • DOI: 10.1038/srep21247
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Wireless Image-Data Transmission from an Implanted Image Sensor through a Living Mouse Brain with Intra-Body Communication (2016)
  • 著者名/発表者名: Hajime Hayami, Hiroaki Takehara, Kengo Nagata, Makito Haruta, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa*, Takashi Tokuda and Jun Ohta
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 04EM03-1~5
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.04EM03
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Implantable self-reset CMOS image sensor and its application to hemodynamic response detection in living mouse brain (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Yamaguchi, Hiroaki Takehara, Yoshinori Sunaga, Makito Haruta, Mayumi Motoyama, Yasumi Ohta, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 04EM02-1~6
  • DOI: 10.7567/JJAP.5504EM02
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] "Implantable Imaging Device for Brain Functional Imaging System using Flavoprotein Fluorescence" (2016)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Sunaga, Hiroshi Yamaura, Makito Haruta, Takahiro Yamaguchi,Mayumi Motoyama, Yasumi Ohta, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Yumiko Yoshimura, and Jun Ohta
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 ページ: 03DF02-1~5
  • DOI: 10.7567/JJAP.55.03DF02
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] CMOS-Based Optoelectronic On-Chip Neural Interface Device (2016)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tokuda,Hiroaki Takehara,Toshihiko Noda,Kiyotaka Sasagawa,Jun Ohta
  • 雑誌名: IEICE TRANSACTIONS on Electronics 巻: E99-C ページ: 165~172
  • DOI: 10.1587/tranele.E99.C165
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fluorescence imaging under background light with a self-reset CMOS image sensor (2016)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Yamaguchi,Yoshinori Sunaga,Makito Haruta,Mayumi Motoyama,Yasumi Ohta,Hiroaki Takehara,Toshihiko Noda,Kiyotaka Sasagawa,Takashi Tokuda,Jun Ohta
  • 雑誌名: The Journal of Engineering 巻: - ページ: 1~3
  • DOI: 10.1049/joe.2015.0046
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] An Implantable CMOS Image Sensor with Self-Reset Pixels for Functional Brain Imaging (2016)
  • 著者名/発表者名: Kiyotaka Sasagawa, Takahiro Yamaguchi, Makito Haruta, Yoshinori Sunaga, Hironari Takehara, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Electron Devices 巻: 63 ページ: 215~222
  • DOI: 10.1109/TED.2015.2454435
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Intravital fluorescence imaging of mouse brain using implantable semiconductor devices and epi-illumination of biological tissue (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Yasumi Ohta, Mayumi Motoyama, Makito Haruta, Mizuki Nagasaki, Hironari Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta
  • 雑誌名: Biomedical Optics Express 巻: 6 ページ: 1553~1564
  • DOI: 10.1364/BOE.6.001553
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] 埋植型デバイスの導入に向けたハイドロゲルの光学特性評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 桂木 優治,須永 圭紀,竹原 宏明,野田 俊彦,笹川 清隆,徳田 崇,太田 淳
  • 学会等名: 応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東工大 大岡山キャンパス 東京都目黒区
  • 年月日: 2016-03-20
• [学会発表] CMOSイメージセンサを用いた培養細胞のオンチップ蛍光計測システム (2016)
  • 著者名/発表者名: 大澤 和嵩，竹原 宏明，野田 俊彦，笹川 清隆，徳田 崇，太田 淳
  • 学会等名: 応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東工大 大岡山キャンパス 東京都目黒区
  • 年月日: 2016-03-20
• [学会発表] A fluorescence imaging device with a portable system for detection of nitric oxide (2016)
  • 著者名/発表者名: Anek Wuthayavanich, Makito Haruta,Hiroaki Takehara,Toshihiko Noda,Kiyotaka Sasagawa,Takashi Tokuda,Jun Ohta
  • 学会等名: 応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東工大 大岡山キャンパス 東京都目黒区
  • 年月日: 2016-03-20
• [学会発表] 生体内埋植 マイクロエレクトロニクスデバイス (2016)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: 電気学会全国大会シンポジウム
  • 発表場所: 東北大学川内北キャンパス，宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] 光電子デバイス技術による生体計測と刺激 (2016)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: 第44回脳神経科学コアセンサーセミナー
  • 発表場所: 東北大学片平キャンパス，宮城県仙台市
  • 年月日: 2016-03-17
  • 招待講演
• [学会発表] ここまで進んだ人工の目 (2016)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: あづみ野ロータリークラブ創立30周年記念講演会
  • 発表場所: 豊科交流学習センター，長野県安曇野市
  • 年月日: 2016-02-27
  • 招待講演
• [学会発表] 体内埋込デバイスによる生体刺激と機能イメージング (2016)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: "第８７回表面科学研究会 平成２７年度中部表面科学シンポジウム"
  • 発表場所: 名城大学名駅サテライト，愛知県名古屋市
  • 年月日: 2016-01-23
  • 招待講演
• [学会発表] マイクロフォトニックデバイスのバイオ医療応用 (2016)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: 京都工芸繊維大学 ヘルスサイエンス教育研究拠点 講演会
  • 発表場所: 京都工芸繊維大学６０周年記念ホール，京都府京都市
  • 年月日: 2016-01-13
  • 招待講演
• [学会発表] イメージセンサのバイオ医療応用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: 学振第179委員会第41回研究会
  • 発表場所: 弘済会館，東京都千代田区
  • 年月日: 2015-12-11
  • 招待講演
• [学会発表] Development of a small imaging device and USB operating system for detecting nitric oxide (2015)
  • 著者名/発表者名: "Anek Wuthayavanich, Makito Haruta, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta"
  • 学会等名: Bio4Apps 2015
  • 発表場所: Ito campus,Kyushu University, Fukuoka, Japan
  • 年月日: 2015-12-10
  • 国際学会
• [学会発表] CMOS-Based on-Chip Neural Interface Devices for Optogenetics (2015)
  • 著者名/発表者名: Takashi Tokuda, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, and Jun Ohta
  • 学会等名: Biomedical Circuits and Systems Conference 2015 (BioCAS2015)
  • 発表場所: Historic Academy of Medicine in Atlanta, USA
  • 年月日: 2015-10-23
  • 国際学会
• [学会発表] Image sensors and their applications to implantable biomedical devices (2015)
  • 著者名/発表者名: Jun Ohta
  • 学会等名: Biomedical Circuits and Systems Conference 2015 (BioCAS2015)
  • 発表場所: Historic Academy of Medicine in Atlanta, USA
  • 年月日: 2015-10-22
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Improvement of green fluorescence imaging system based on implantable CMOS imaging device for freely moving mice (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Sunaga, Hiroshi Yamaura, Makito Haruta, Takahiro Yamaguch1, Mayumi Motoyama, Yasumi Ohta, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Yumiko Yoshimura and Jun Ohta
  • 学会等名: Neuroscience 2015 SfN 45th annual meeting
  • 発表場所: McCormick Place Convention Center,Chicago,USA
  • 年月日: 2015-10-21
  • 国際学会
• [学会発表] An implantable hemodynamic imaging device for revealing relation between a blood flow and brain activity in animal behavior (2015)
  • 著者名/発表者名: Makito Haruta,Yoshinori Sunaga,Takahiro Yamaguchi, Hironari Takehara.Yasumi Ohta,Mayumi Motoyama,Hiroaki Takehara,Toshihiko Noda,Kiyotaka Sasagawa,Takashi Tokuda,Jun Ohta.
  • 学会等名: Neuroscience 2015 SfN 45th annual meeting
  • 発表場所: McCormick Place Convention Center,Chicago,USA
  • 年月日: 2015-10-21
  • 国際学会
• [学会発表] Image processing technique for an implantable image sensor with self-resetting function (2015)
  • 著者名/発表者名: Kiyotaka Sasagawa, Takahiro Yamaguchi, Makito Haruta, Yoshinori Sunaga, Hironari Takehara, Mayumi Motoyama, Yasumi Ohta, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Takashi Tokuda, Jun Ohta
  • 学会等名: Neuroscience 2015 SfN 45th annual meeting
  • 発表場所: McCormick Place Convention Center,Chicago,USA
  • 年月日: 2015-10-18
  • 国際学会
• [学会発表] Visualizing neuronal activities of the deep brain in a freely-moving mouse by using implantable micro imaging devices (2015)
  • 著者名/発表者名: Yasumi Ohta, Mayumi Motoyama, Makito Haruta Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta
  • 学会等名: Neuroscience 2015 SfN 45th annual meeting
  • 発表場所: McCormick Place Convention Center,Chicago,USA
  • 年月日: 2015-10-18
  • 国際学会
• [学会発表] Implantable CMOS imaging devices (2015)
  • 著者名/発表者名: Jun Ohta
  • 学会等名: 4th International Symposium on Bioelectronics and Bioinformatics
  • 発表場所: Tsinghua University Rohm Hall, China
  • 年月日: 2015-10-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] "半導体集積化技術による バイオ医療応用デバイス ～ミニマルのバイオ分野応用への期待～" (2015)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: ファブシステム研究会『H27 臨時総会
  • 発表場所: 産総研・つくば中央第1事業所，茨城県つくば市
  • 年月日: 2015-10-02
  • 招待講演
• [学会発表] An Implantable Needlelike Shaped Device and Its Performance in Lensless Fluorescence Imaging of Biological Tissues (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Yasumi Ohta, Mayumi Motoyama, Makito Haruta, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 学会等名: 2015 International Conference on Sold State Devices and Materials
  • 発表場所: Sapporo Convention Center, Japan
  • 年月日: 2015-09-30
• [学会発表] "Wireless Data Transmission in a Brain Tissue with Intra-Body Communication by a Micro-Sized Image Sensor" (2015)
  • 著者名/発表者名: Hajime Hayami, Kengo Nagata, Makito Haruta, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta
  • 学会等名: 2015 International Conference on Sold State Devices and Materials
  • 発表場所: Sapporo Convention Center, Japan
  • 年月日: 2015-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] "Improvement of Power Consumption and SNR of Self-reset Pixels for an Implantable CMOS Image Sensor" (2015)
  • 著者名/発表者名: Takahiro Yamaguchi,Yoshinori Sunaga, Makito Haruta, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta
  • 学会等名: 2015 International Conference on Sold State Devices and Materials
  • 発表場所: Sapporo Convention Center, Japan
  • 年月日: 2015-09-28
  • 国際学会
• [学会発表] [有機分子・バイオエレクトロニクス分科会論文賞受賞記念講演] ラボ・オン・ブレイン：In vivo神経科学研究のための埋め込み型マイクロオプト流体デバイス (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹原宏明
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場 愛知県名古屋市
  • 年月日: 2015-09-15
  • 招待講演
• [学会発表] 埋植用自己リセット型 CMOS イメージセンサによる内因性シグナルの検出 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口 貴大, 須永 圭紀, 春田 牧人, 元山 真由美, 太田 安美, 竹原 宏明, 野田 俊彦, 笹川 清隆, 徳田 崇, 太田 淳
  • 学会等名: 応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場 愛知県名古屋市
  • 年月日: 2015-09-15
• [学会発表] An Implantable Hemodynamic Imaging Device for Observing the Process of Recovery from Cerebrovascular Disease (2015)
  • 著者名/発表者名: Makito Haruta, Yoshinori Sunaga, Takahiro Yamaguchi, Hironari Takehara, Yasumi Ohta, Mayumi Motoyama, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 学会等名: 37th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society
  • 発表場所: MiCo, Milano Conference Center, Italy
  • 年月日: 2015-08-28
  • 国際学会
• [学会発表] An implantable hemodynamic imaging device with a two-color light source for observing two brain phenomena (2015)
  • 著者名/発表者名: Makito Haruta, Yoshinori Sunaga, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, and Jun Ohta
  • 学会等名: 2015 INTERNATIONAL SYMPOSIUM FOR ADVANCED MATERIALS RESEARCH
  • 発表場所: SUN MOON LAKE TEACHERS' HOSTEL, Taiwan
  • 年月日: 2015-08-19
  • 招待講演
• [学会発表] 動物の脳機能制御を可能にする無線多点光刺激デバイス (2015)
  • 著者名/発表者名: Makito Haruta, , Naoya Kamiyama, Takahiro Yamaguchi, Mayumi Motoyama, Mamiko Kawahara, Yasumi Ohta, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta
  • 学会等名: 第38回日本神経科学大会
  • 発表場所: 神戸国際展示場 兵庫県神戸市
  • 年月日: 2015-07-29
• [学会発表] 自由行動下マウス脳内神経活動の計測を目的とした埋植用微小イメージングデバイス (2015)
  • 著者名/発表者名: 太田安美、元山真由美、春田牧人、竹原宏明、野田俊彦、笹川清隆、徳田崇、太田淳
  • 学会等名: 第38回日本神経科学大会
  • 発表場所: 神戸国際展示場 兵庫県神戸市
  • 年月日: 2015-07-29
• [学会発表] 光電子デバイスのバイオメディカル分野への応用 (2015)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: 第2回フォトニックデバイス・応用技術研究会
  • 発表場所: 機械振興会館，東京都港区
  • 年月日: 2015-07-22
  • 招待講演
• [学会発表] 埋め込み可能な小型脳血流イメージングデバイスの開発 (2015)
  • 著者名/発表者名: 春田 牧人、須永 圭紀、山口 貴大、竹原 浩成 太田 安美、元山 真由美、竹原 宏明、野田 俊彦、笹川 清隆、徳田 崇 、太田 淳
  • 学会等名: 電気学会E部門総合研究会
  • 発表場所: 九州大学医学部百年講堂 福岡県福岡市
  • 年月日: 2015-07-03
• [学会発表] Implantable Imaging Device for Brain Functional Imaging System using Flavoprotein Fluorescence (2015)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Sunaga, Hiroshi Yamaura, Makito Haruta, Takahiro Yamaguchi, Mayumi Motoyama, Yasumi Ohta, Hiroaki Takehara, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Yumiko Yoshimura and Jun Ohta
  • 学会等名: M&BE8
  • 発表場所: Tower Hall Funabori, Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-06-22
  • 国際学会
• [学会発表] Post Scaling: What will be next? (2015)
  • 著者名/発表者名: Jun Ohta
  • 学会等名: VLSI Symposium
  • 発表場所: Rihga Royal Hotel, Kyoko, Japan
  • 年月日: 2015-06-16
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] [ISSCC Tutorial解説] 「Interfacing Silicon with the human Body: a primer on applications, interface circuits and Technologies for the Medical Market」 (2015)
  • 著者名/発表者名: 太田 淳
  • 学会等名: LSIとシステムのワークショップ2015
  • 発表場所: 北九州国際会議場、福岡県北九州市
  • 年月日: 2015-05-13
  • 招待講演
• [学会発表] 多点埋植型PWM出力イメージセンサを用いた神経ネットワーク計測システム (2015)
  • 著者名/発表者名: 速水 一, 永田 健悟, 竹原 宏明, 野田 俊彦, 笹川 清隆, 徳田 崇, 太田 淳
  • 学会等名: LSIとシステムのワークショップ2015
  • 発表場所: 北九州国際会議場、福岡県北九州市
  • 年月日: 2015-05-11
• [学会発表] 埋植用自己リセット型イメージセンサの低発熱化によるSNR向上 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山口 貴大, 須永 圭紀, 春田 牧人, 竹原 宏明, 野田 俊彦, 笹川 清隆, 徳田 崇, 太田 淳
  • 学会等名: LSIとシステムのワークショップ2015
  • 発表場所: 北九州国際会議場、福岡県北九州市
  • 年月日: 2015-05-11
• [学会発表] 半導体イメージセンサを用いた脳深部光イメージング技術 (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹原 宏明
  • 学会等名: 国際光年記念シンポジウム
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス 東京都文京区
  • 年月日: 2015-04-21
• [学会発表] Optoelectronic Devices for Biomedical Applications (2015)
  • 著者名/発表者名: Jun Ohta
  • 学会等名: ICEP-IAAC2015
  • 発表場所: Kyoto Terrsa, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2015-04-15
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Implantable semiconductor imaging devices for in vivo optical imaging of brain (2015)
  • 著者名/発表者名: Hiroaki Takehara, Makito Haruta, Yasumi Ohta, Mayumi Motoyama, Toshihiko Noda, Kiyotaka Sasagawa, Takashi Tokuda, Jun Ohta
  • 学会等名: The Optics in the Life Sciences Congress, Optics and the Brain
  • 発表場所: Pinnacle Vancouver Harbourfront Hotel、Canada
  • 年月日: 2015-04-15
  • 国際学会
• [備考] 光機能素子科学研究室
  • URL: http://mswebs.naist.jp/LABs/pdslab/index-j.html