Constructing artificial neuronal circuits on diamond and long-term monitoring of the spontaneous firing pattern with NV centers

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 18K19026
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 29:Applied condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: TANII Takashi 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20339708)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2021-03-31
• Keywords: 神経細胞回路 / 自発発火 / NVセンター / ダイヤモンド / 細胞パターニング

Outline of Final Research Achievements

There are two approaches to understand an extremely complex system such as the brain; namely, top-down approaches which resolve the whole system into building blocks and bottom-up approaches to construct the whole system from scratch. In this work, we aimed at (1) developing a method to detect and monitor neural spikes by combining cell-patterning techniques with NV centers in diamond for a long term and (2) understanding the spontaneous firing patterns experimentally and theoretically by constructing neuronal circuits containing only a single or a few neurons on the substrate surface.

Free Research Field

量子センシング

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ダイヤモンド中のNVセンターを電位プローブとして実神経細胞の発火を検出できる計測系の実現を試みると同時に，そのようにして基板上の構築された実神経細胞回路が提示するであろう発火パターンの理論予測の両面から研究を進めた。現時点では，NVセンターによる実神経細胞の発火計測は，当初の予測に反し，感度不足が原因で達成されていない。一方，単一または少数個の実細胞からなる神経細胞回路が発現する自発発火パターンに関する理論予測において，特にオータプスが発現する機能の観点から新たな発見があり，オータプスが神経ネットワーク全体の同期生成に深く関与していることを示唆した。