Study on the mechanism of neuron cell activity induction and motion induction by ultrasound stimulation

本研究では，超音波照射により神経細胞群に生じる集団的発火とラットの経頭蓋超音波照射により誘発される運動の関係を調べ，超音波照射のもたらす力学的刺激が脳神経系の活動及び生体の運動を誘発するメカニズムについて知見を得ることを目的とする．また，それらをシミュレーションにより再現する数理モデルを構築し，運動誘発の最適条件などを検討するためのツールを開発することを目指している．本年度は，基盤上における培養した神経細胞の細胞密度を変化させ，カルシウムイオンの放出について調べた．その結果，細胞密度が低いほど，超音波照射に対するカルシウムイオン放出が強くなり，イオン放出のピークの後，減衰するときの緩和時間が長くなる傾向があるのがわかった．この傾向は，神経細胞の自発活動と同様の傾向となるため，実験データから自発活動によるカルシウムイオンの放出と超音波照射によるものの区別をするのが難しいことが判明した．そこで，シナプス伝達を阻害したところ，神経細胞の自発活動はなくなったが，超音波照射によるカルシウムイオン放出は存在した．このことより超音波刺激に対する応答は，シナプスを介した共鳴現象のようなものではなく，一つの細胞レベルで生じ，分離された複数の細胞で独立してカルシウムイオンの放出がおきていると判断した．すなわち，超音波刺激に反応した細胞がそれぞれカルシウムイオンの放出を起こしていると考えられる．一方．自発的発火の場合は，一か所で起こったカルシウム放出はシナプス結合を介して，周囲に広まるため，シナプス伝達を阻害した場合，同時に複数の細胞からのカルシウムイオン放出が起こらなかったと考えられる．このことより，カルシウムイオンの放出が自発活動だけでなく，超音波照射により生じていることが確認できた．

本研究では，超音波照射により神経細胞群に生じる集団的発火とラットの経頭蓋超音波照射により誘発される運動の関係を調べ，超音波照射のもたらす力学的刺激が脳神経系の活動及び生体の運動を誘発するメカニズムについて知見を得ることを目的とする．また，それらをシミュレーションにより再現する数理モデルを構築し，運動誘発の最適条件などを検討するためのツールを開発することを目指している．本年度は，基盤上における培養した神経細胞の細胞密度を変化させ，カルシウムイオンの放出について調べた．その結果，細胞密度が低いほど，超音波照射に対するカルシウムイオン放出が強くなり，イオン放出のピークの後，減衰するときの緩和時間が長くなる傾向があるのがわかった．この傾向は，神経細胞の自発活動と同様の傾向となるため，実験データから自発活動によるカルシウムイオンの放出と超音波照射によるものの区別をするのが難しいことが判明した．そこで，シナプス伝達を阻害したところ，神経細胞の自発活動はなくなったが，超音波照射によるカルシウムイオン放出は存在した．このことより超音波刺激に対する応答は，シナプスを介した共鳴現象のようなものではなく，一つの細胞レベルで生じ，分離された複数の細胞で独立してカルシウムイオンの放出がおきていると判断した．すなわち，超音波刺激に反応した細胞がそれぞれカルシウムイオンの放出を起こしていると考えられる．一方．自発的発火の場合は，一か所で起こったカルシウム放出はシナプス結合を介して，周囲に広まるため，シナプス伝達を阻害した場合，同時に複数の細胞からのカルシウムイオン放出が起こらなかったと考えられる．このことより，カルシウムイオンの放出が自発活動だけでなく，超音波照射により生じていることが確認できた．