ダイヤモンド表面での実神経細胞回路構築とＮＶセンタを用いた自発発火活動の長期計測

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K19026
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 谷井 孝至 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Keywords: 神経細胞 / ダイヤモンド / NVセンタ / 自発発火

Outline of Annual Research Achievements

光検出磁気共鳴計測を活用してダイヤモンド表面に構築した神経細胞回路の自発発火を表面近傍のＮＶセンターを介して計測できる手法を構築する。具体的には，（１）ガラス基板上で培ってきた，表面マイクロパターニングによる神経細胞回路の構築法を，これまで神経細胞足場として活用されたことがないダイヤモンド表面でも実行可能にする第１段階と，（２）ダイヤモンド表面に構築した実神経細胞回路を伝搬するパルス電流を，ＮＶセンタを磁気プロ―ブとする光検出磁気共鳴法によって，リアルタイムかつ長期間にわたって計測できる方法論を構築する第２段階とからなる。２０１８年度には共焦点顕微鏡上で長期間にわたって神経細胞を培養できる環境の構築と、上記（１）の段階に着手した。前者については、共焦点顕微鏡のステージにマウントできる小型の細胞培養装置を自作し、やはり自作した小型の温湿度および二酸化炭素濃度制御装置にそれを接続した。温湿度および二酸化炭素濃度の制御に関する問題は今のところ見られていない。ダイヤモンド基板を介して神経細胞と対物レンズとの間に励起光および蛍光を通す必要があるが、この部分の設計・試作については２０１９年度に持ち越すこととした。後者の（１）については、Ｉｂダイヤモンド（１００）基板表面を窒素終端したもの、またはその表面にポリリジンをコートしたものを用意し、ラット初代培養を行って、神経細胞の接着および成長を評価した。当初期待した窒素終端表面に神経細胞は接着せず、ポリリジンコート表面で神経細胞は遜色なく成長することを見出した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

共焦点顕微鏡に搭載する小型の細胞培養装置を自作することにより、やはりそれまでに自作されていた共焦点顕微鏡のステージに整合性よくマウントできたため。これにより、ダイヤモンド基板と対物レンズとの間の仕様についても２０１９年度に問題なく進められる見通しである。

Strategy for Future Research Activity

上記の（１）第１段階と，（２）第２段階とのうち、２０１９年度に（１）を完了し、２０２０年度に向けて順次（２）に移行する方針をとる。
第一段階では、①CVDダイヤモンド表面に対する電子線リソグラフィとプラズマ処理によるダイヤモンド表面終端基（酸素終端表面／水素終端表面）のパターニング（連携者：早稲田大・川原田洋教授）、②接着分子の自己吸着特性を利用した神経細胞の足場パターン（細胞接着表面／細胞非接着表面）の形成、③胎生18日ラット大脳皮質神経細胞の播種とパターン形状に沿った神経細胞の長期培養法の構築を行う。
第２段階では、下記①から③の実験を通して、ダイヤモンド上の神経細胞回路の自発発火をＮＶセンターで捕捉する：①単一ＮＶセンター配列およびアンサンブル系（δドープ層）上に構築したモデル系（金属配線等）を用いた直流磁場計測、②単一ＮＶセンター配列上への神経細胞回路のアライメントおよび長期培養と自発発火計測、③ＮＶセンターのアンサンブル系（δドープ層）での長期培養と自発発火計測を試みる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ulm University(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: Ulm University
• [Int'l Joint Research] CNR(イタリア)
  • Country Name: ITALY
  • Counterpart Institution: CNR
• [Journal Article] Nitrogen-Terminated Diamond Surface for Nanoscale NMR by Shallow Nitrogen-Vacancy Centers (2019)
  • Author(s): S. Kawai, H. Yamano, T. Sonoda, K. Kato, J. Buendia, T. Kageura, R. Fukuda, T. Okada, T. Tanii, T. Higuchi, M. Haruyama, K. Yamada, S. Onoda, T. Ohshima, W. Kada, O. Hanaizumi, A. Stacey, T. Teraji, S. Kono, J. Isoya, H. Kawarada
  • Journal Title: J. Phys. Chem. C Volume: 123 Pages: 3594-3604
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b11274
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of modular organization on dynamical richness in cortical networks (2018)
  • Author(s): H. Yamamoto, S. Moriya, K. Ide, T. Hayakawa, H. Akima, S. Sato, S. Kubota, T. Tanii, M. Niwano, S. Teller, J. Soriano, A. Hirano-Iwata
  • Journal Title: Science Advances Volume: 4 Pages: eaau4914
  • DOI: 10.1126/sciadv.aau4914
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン注入による単一不純物欠陥の規則的配列形成をその応用 (2019)
  • Author(s): 谷井孝至、品田高宏、寺地徳之、小野田忍、大島武、McGuuinness Liam, Jelezko Fedor, Liu Yan, Wu E, 加田渉、花泉修、川原田洋、磯谷順一
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Surface modification with visible-light-responsible TiO2 thin film (2019)
  • Author(s): Atsushi Kurotobi, Sho Kono, Takayuki Ichikawa, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata and Tanii Takashi
  • Organizer: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An experimental study on spontaneous firing of a single neuron on micropatterned substrates (2019)
  • Author(s): Koki Sato, Takahiro Nakane, Honoka Takahashi, Kouhei Hattori, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata and Takashi Tanii
  • Organizer: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Computational modeling of spontaneous firing patterns generated by single autaptic neurons (2019)
  • Author(s): Kouhei. Hattori, Takeshi Hayakawa, Akira Nakanishi, Mihoko Ishida, Hideaki Yamamoto, Ayumi Hirano-Iwata, Takashi Tanii
  • Organizer: The 7th RIEC International Symposium on Brain Functions and Brain Computer
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ダイヤモンド中単一NVセンターのパルス光磁気共鳴測 定のためのローエンドFPGAへのフォトンカウンタの実装 (2019)
  • Author(s): 永岡 希朗, 畑 雄貴, 川勝 一斗, 石井 邑, 福田 諒 介, 寺地 徳之, 小野田 忍, 大島 武, 品田 高宏 , 川 原田 洋, 磯谷 順一, 谷井 孝至
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 高被覆率窒素終端(111)ダイヤモンドの作製 (2019)
  • Author(s): 第66回応用物理学会春季学術講演会
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] C5N4Hnイオン注入による双極子結合したNVセンターの 形成 (2019)
  • Author(s): 春山 盛善, 小野田 忍, 樋口 泰成, 加田 渉, 千 葉 敦也, 平野 貴美, 寺地 徳之, 五十嵐 龍治, 河合 空, 川原田 洋, 石井 邑, 福田 諒介, 谷井 孝至, 磯谷 順一, 大島 武, 花泉 修
  • Organizer: 第66回応用物理学会春季学術講演会