パターニング培養を用いた神経細胞群のてんかん性活動におけるゆらぎ解析と医療応用

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本研究では,神経細胞回路網の活動ダイナミクスをゆらぎ解析を用いて明らかにし,てんかん治療に応用することが目的である.活動ダイナミクスにはネットワークの構造の違いが影響することが予想されるため,昨年は細胞パターニング技術を用いた活動計測手法の確立に取り組んだ.その結果,ゲル層の膜厚をパターニング可能な範囲で最少にすることにより,パターニングの有無によらず同程度の精度で信号計測が可能となった.これを受けて,本年度はパターニングを施さない培養神経回路及びパターニングを施した人工的な回路での神経活動を計測し,そのダイナミクスを神経雪崩(Neuronal Avalanche)を用いて解析した.神経雪崩とは50～数100msの間継続して神経発火が回路網を順次伝わる現象のことを指し,これまでに成熟したラット脳のスライス培養系及び分散培養系において,雪崩の規模とその発生確率を両対数グラフにプロットするとべき乗則に従うことが報告されている.一方で,べき乗則に従う系は自然界に多く存在し,それらは特別にパラメータを調整することなくべき乗則すなわち臨界状態に自己組織化的に至っていることが指摘されている.特に,モデル研究から情報量が最大になることが示され,べき乗則は脳の情報伝達機能の成熟度を示す指標であると考えられている.先に挙げた先行研究の報告は,従って成熟した神経回路網であることを示していると考えられる.しかしながら,このべき乗則がいつどのように現れてくるかについては報告例がほとんどない.そこで,本研究では,培養神経ネットワークの電気活動を長期計測し神経雪崩の発生確率分布の経時変化を調べた。また、細胞パターニングによるシンプルなネットワークにおいても同様の解析を行った.その結果、(1)発達初期ではべき乗則に向かう過渡期が存在する,(2)結合状態を制御するとべき乗則に従わないことが分かった.