機能する培養ヒト神経回路組織の構築

単純化した神経回路を体外で再現することによって「複数の局所的な回路が巨視的につながりあった複合的回路構造が脳の機能を生み出す」という仮説を検証し、神経回路の機能と仕組みを理解することを目指している。ヒトiPS細胞を三次元培養し、分化させると、自発的に発生中の脳のような構造を持った神経オルガノイドができる。通常の培養環境で幹細胞などから自発的に出来た神経オルガノイドは、近接しあった細胞同士の影響と自発的発生プログラムのみに従って作られるため、特定の領域内の局所的な回路しか模倣することができない。そこで私たちは脳内の巨視的神経回路を模倣するために、マイクロデバイス内でオルガノイドからの軸索の伸び方を空間的に制御することによって、複数の神経オルガノイドがつながり合った回路組織を作っている。昨年度までには、マイクロデバイス内部で複数の大脳皮質オルガノイドを培養し、オルガノイド同士から伸びた軸索にシナプスを形成させることでオルガノイド間の神経回路組織を作る手法を確立した。本年度は、引き続き多電極アレイ上に回路組織を作製し、回路組織内の電気活動のダイナミクスを計測した。大脳オルガノイドの培養期間や作製方法を検討し、活動の変化を調べた。異なる領域に分化させたオルガノイドを互いに軸索を介してつなぎ合わせることで、オルガノイド間で神経活動が干渉し合う様子を観察した。特定の電極のみで見られる局所的な回路の神経活動パターンと、多くの電極で同期して見られる巨視的な神経活動パターンが見られ、これらは異なる周期性を示した。パッチクランプによる神経細胞の性質の解析にも着手している。また、外部から刺激を加え、同時にチャネル等へ影響する薬剤を加えることで回路全体の可塑性を調べた。神経活動に応じて神経を刺激し、神経回路組織の機能を調べるためのクローズドループシステムを開発し、検証実験を行った。

単純化した神経回路を体外で再現することによって「複数の局所的な回路が巨視的につながりあった複合的回路構造が脳の機能を生み出す」という仮説を検証し、神経回路の機能と仕組みを理解することを目指している。ヒトiPS細胞を三次元培養し、分化させると、自発的に発生中の脳のような構造を持った神経オルガノイドができる。通常の培養環境で幹細胞などから自発的に出来た神経オルガノイドは、近接しあった細胞同士の影響と自発的発生プログラムのみに従って作られるため、特定の領域内の局所的な回路しか模倣することができない。そこで私たちは脳内の巨視的神経回路を模倣するために、マイクロデバイス内でオルガノイドからの軸索の伸び方を空間的に制御することによって、複数の神経オルガノイドがつながり合った回路組織を作っている。昨年度までには、マイクロデバイス内部で複数の大脳皮質オルガノイドを培養し、オルガノイド同士から伸びた軸索にシナプスを形成させることでオルガノイド間の神経回路組織を作る手法を確立した。本年度は、引き続き多電極アレイ上に回路組織を作製し、回路組織内の電気活動のダイナミクスを計測した。大脳オルガノイドの培養期間や作製方法を検討し、活動の変化を調べた。異なる領域に分化させたオルガノイドを互いに軸索を介してつなぎ合わせることで、オルガノイド間で神経活動が干渉し合う様子を観察した。特定の電極のみで見られる局所的な回路の神経活動パターンと、多くの電極で同期して見られる巨視的な神経活動パターンが見られ、これらは異なる周期性を示した。パッチクランプによる神経細胞の性質の解析にも着手している。また、外部から刺激を加え、同時にチャネル等へ影響する薬剤を加えることで回路全体の可塑性を調べた。神経活動に応じて神経を刺激し、神経回路組織の機能を調べるためのクローズドループシステムを開発し、検証実験を行った。