ナノ加工表面に構築した細胞神経回路の活動計測と数値計算を組合せた機能解析法の確立

建立一种将纳米制造表面上的细胞神经回路的活动测量和数值计算相结合的功能分析方法

• 批准号: 15J07429
• 负责人: 河野 翔
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J07429/
• 关键词: ナノテクノロジー; マイクロ加工; 液中パターニング; 光触媒; 神経科学; 神経細胞; マイクロパターニング; 表面改質; 数値計算; 数理モデル; ナノバイオテクノロジー; 神経回路; 自己組織化有機単分子膜; 細胞パターニング

脳は約1000億個の神経細胞がお互いに複雑なネットワークを構築し、細胞間の電気的相互作用により機能発現する情報処理システムである。本課題では、ナノ/マイクロ加工を基盤技術とし、任意の位置に神経細胞を配置・接続して生きた神経細胞をパターニングした細胞神経回路を構築し、活動計測することで神経回路の構造と活動の関係を明らかにすることを目的としている。当該年度においては、1) 可視光応答性酸化チタンを用いた表面改質と細胞の液中パターニング、2) 数値計算を用いた単一神経細胞回路の活動シミュレーションを実施した。1)では細胞へのダメージ軽減を目的とした液中細胞パターニング法を開発した。石英基板上に酸素欠損を含んだルチル型酸化チタンを蒸着したところ、この基板が可視光応答性を発現した。この基板上に細胞接着阻害有機膜を成膜し、細胞接着分子であるコラーゲンを添加した生理食塩水中で基板の局部に青色光を照射すると、光照射領域の有機膜が選択的に分解し、そこにコラーゲンが選択的に吸着し、細胞接着を促進した。予め局所的にラット副腎髄質褐色細胞腫を培養しておき、この細胞に隣接して青色光を照射すると、細胞はダメージを受けるなく、光照射領域に伸展した。この技術を神経細胞に適用すれば、自由自在に神経回路を構築することが可能になる。2)では神経細胞回路の活動のモデル化を目的として、数値計算を用いた単一神経細胞の活動シミュレーションを実施した。ホジキンハクスレーモデルとハインドマーシュローズモデルを用い、自身へのフィートバック構造を有する神経細胞回路を計算機上に構築し、活動を計算した。ナノ加工表面に構築した細胞神経回路の活動と比較すると、両者に違いが見られた。これは数理モデルにおいて、実神経細胞に存在するパラメータが欠落していることを示唆している。このパラメータを抽出することで、脳の計算処理様式が解明可能になる。

About 100 billion の 脳 は god 経 cells が お mutual い に complex 雑 な ネ ッ ト ワ ー ク を build し interaction, intercellular の electric 気 に よ り function 発 now す る intelligence 処 Richard シ ス テ ム で あ る. This topic で は, ナ ノ / マ イ ク ロ processing を base plate technology と し, arbitrary の position に を 経 cell configuration, meet god 続 し て raw き た god 経 cells を パ タ ー ニ ン グ し た cells god 経 loop を build し, activity measuring す る こ と で god 経 loop の structure と activity の masato を and Ming ら か に す る こ と を purpose と し て い る. When the annual に お い て は, 1) visible light 応 a sexual acidification チ タ ン を with い た surface modification と cellular の liquid パ タ ー ニ ン グ, 2) the numerical calculation を い た 単 one god 経 cell circuit の activity シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を be applied し た. 1) で は cells へ の ダ メ ー ジ 軽 を reduction purpose と し た fluid cells パ タ ー ニ ン グ method を open 発 し た. Shi Yingji board に acid contains owe loss を ん だ ル チ ル type acidification チ タ ン を steamed し た と こ ろ, こ の substrate が visible light 応 a sexual を 発 now し た. こ の substrate に cells and resistance against organic membrane を film-forming し, cell and molecular で あ る コ ラ ー ゲ ン を add し た physiological で substrate の local food salt water を に cyan light irradiation す る と, light field の organic membrane が sentaku し に decomposition, そ こ に コ ラ ー ゲ ン が sentaku に of sorption し, cells then を promote し た. To め bureau に ラ ッ ト adrenal mass marrow brown cells swollen を cultivate し て お き, こ の cells に 隣 meet し を て cyan light irradiation す る と, cell は ダ メ ー ジ を by け る な く, light fields stretch に し た. The <s:1> <s:1> technology を divine cell に is applicable to すれば, and the free に divine circuit を can be used to construct する とが とが possibly になる. 2) で は god 経 cell circuit の activity の モ デ ル change を purpose と し て, the numerical calculation を い た 単 one god の 経 cells activity シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を be applied し た. ホ ジ キ ン ハ ク ス レ ー モ デ ル と ハ イ ン ド マ ー シ ュ ロ ー ズ モ デ ル を い, own へ の フ ィ ー ト バ ッ ク a す を construction る god 経 cell circuit に build し, activity を を computer calculation し た. The ナノ processed surface に constructs the <s:1> た cell neural circuit <s:1> activity と comparison すると and に contrary to が が see られた. こ れ は mathematical モ デ ル に お い て, be god に 経 cells exist す る パ ラ メ ー タ が owe fall し て い る こ と を in stopping し て い る. <s:1> パラメ パラメ タを extract する とで とで and 脳 <s:1> to calculate and process the sample が to explain the possibility of になる.

项目成果

Control of the Correlation of Spontaneous Neuron Activity in Biological and Noise-activated CMOS Artificial Neural Microcircuits

• 发表时间: 2017-02
• 期刊: ArXiv
• 作者: Ramin M. Hasani;G. Ferrari;Hideaki Yamamoto;Sho Kono;Koji Ishihara;Soya Fujimori;T. Tanii;E. Prati

可視光応答酸化チタン薄膜の光触媒能を利用した細胞の液中パターニング

利用可见光响应二氧化钛薄膜的光催化能力对细胞进行液体图案化

• 发表时间: 2017
• 作者: 古澤 昂平;河野 翔;藤城 翔偉;山本 英明;谷 井 孝至
• 通讯作者: 谷 井 孝至

In situ modification of cell-culture scaffolds by photocatalysis of visible-light-responsive TiO2 film

通过可见光响应 TiO2 薄膜的光催化原位修饰细胞培养支架

• DOI: 10.7567/jjap.57.027001
• 发表时间: 2018
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Sho Kono;Kohei Furusawa;Atsushi Kurotobi;Kohei Hattori;Hideaki Yamamoto;Ayumi Hirano-Iwata;Takashi Tanii
• 通讯作者: Takashi Tanii

レーザ走査光触媒リソグラフィを活用した液中細胞パターニング

使用激光扫描光催化光刻在液体中进行细胞图案化

• 发表时间: 2016
• 作者: 藤城翔偉;関根浩平;河野翔;池田丈;黒田章夫;山本英明;谷井孝至
• 通讯作者: 谷井孝至

In situ modification of cell-culture scaffolds by photocatalysis of visible-light-responsible TiO2 film

通过可见光响应的 TiO2 薄膜的光催化原位修饰细胞培养支架

• 发表时间: 2017
• 作者: S. Kono;K. Furusawa;S. Fujishiro;H. Yamamoto;T. Tanii
• 通讯作者: T. Tanii