培養神経回路のための刺激用光アドレス電極と計測用電極アレイの統合インターフェース

用于培养神经回路的光学寻址刺激电极和测量电极阵列的集成接口

• 批准号: 08F08061
• 负责人: 高橋 宏知
• 金额: $ 1.92万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08F08061/
• 关键词: 計測工学; 電子デバイス・機器; 神経科学; 生理学; 生体工学; CMOS; 神経細胞; 培養; 初代培養; チャネルロドプシン; 微小電極アレイ; トランスフェクション; リポフェクション; カルシウムイメージング

培養神経細胞を用いた脳研究では,細胞への電気刺激や細胞外電位の電気生理計測のために微小電極アレイ(microelectrode array, MEA)が広く用いられてきた.しかし,基板上の神経細胞の密度と比較して,MEAの電極密度は圧倒的に低いため,大部分の神経細胞にはアクセスできない.この問題点を解決するために,本研究では,第一に,海藻由来のチャネルロドプシン2(Channelrhodopsin-2 ; ChR2)というタンパク質に注目した.同タンパク質は,光感受性イオン透過チャネルである.細胞膜にChR2を持つ神経細胞は,青色光を受けると約1msという極めて短時間で脱分極する.これを培養神経回路に遺伝子工学的手法で発現させれば,光によって目的の細胞を自由に刺激ができる実験系を構築できる.本研究では,培養神経回路を機能化誘導するChR2実験系を構築するために,簡易で効率の良いトランスフェクションの方法を調べた.その結果,プロモータをEF1αとし,比較的細胞播種密度が低いときに,リポフェクション法を用いれば,最も高い効率でChR2を発現させられることがわかった.さらに,ChR2を発現させた培養神経回路に局所的な光照射を与え,その応答をCa2+イメージングで調べたところ,単一細胞を選択的に刺激できることを示した.第二に,CMOSアレイ上で神経細胞を培養することを試みた.同アレイは,1.8mm角の計測領域に,11,011個の電極を有する.各電極の直径は7um,電極間距離は17um,サンプリング周波数は20kHzと,計測の時空間分解能は極めて高い.その結果,神経細胞の直径は数10umとCMOSアレイの電極間距離と同等なため,複数の電極で1細胞を計測できることを示した.さらに,電気刺激を軸索に加えることで,活動電位が伝播する様子も可視化できた.

The microelectrode array (MEA) is used to study the electrical stimulation of cultured neurons and the electrophysiological measurement of extracellular potentials. Compared with the density of neurons on the substrate, the electrode density of MEA is relatively low, and most of the neurons are in the middle. This study focuses on the origin and quality of algae, namely, Channelrhodopsin-2 ; ChR2. The same quality, photosensitivity, color, color, color. Cell membrane ChR2 is activated by the blue light for about 1ms and depolarizes for a short time. This method of gene engineering for cultured neural circuits was developed, and light was used to stimulate target cells freely. In this study, we propose a simple and efficient method to construct a functional induction system for ChR2 in cultured neurons. As a result, the cell seeding density was lower than that of EF1α, and the highest efficiency was ChR2. In addition, ChR2 was detected in the culture of the brain circuit in the light irradiation, and the response to Ca2 + was detected in the cell selection. Second, the CMOS technology is used to culture neurons. In the same measurement field, 11,011 electrodes are available at 1.8mm angle. The diameter of each electrode is 7um, the distance between electrodes is 17um, the frequency of each electrode is 20kHz, and the time and space decomposition energy measured is extremely high. As a result, the diameter of the neuron is 10um, the distance between the electrodes is equal, and the number of electrodes is 1 cell. In addition, electrical stimulation of the axons increases the activity potential and visualizes it.

项目成果

チャネルロドプシンを発現させた光応答型培養神経回路

表达视紫红质的光响应培养神经回路

• 发表时间: 2009
• 作者: 酒井秀夫;Douglas Bakkum;櫻井健志;硯川潤;神崎亮平;高橋宏知
• 通讯作者: 高橋宏知