ニューロンレベル脳・人工脳インターフェース

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本年度は予備的検討として線虫の頭部ニューロン群の高速3D撮像を行い、取得データに対してオフラインで細胞位置の解析を試みるとともに、光操作のための高速光変調の検討を行った。まず、独自開発した高速ライトシート顕微鏡を用いて線虫の頭部神経の撮像を行うため、明視野画像をもとに線虫頭部を視野中心に固定するトラッキングステージを製作し、高速撮像(毎秒50ボリューム)に耐える追従動作を確認した。次に、高速ライトシート顕微鏡の撮像条件を線虫頭部神経にあわせて調整し、自由行動中の線虫の撮像に十分な速度である毎秒50ボリュームの撮像を行った。取得データを各種画像解析ソフトウエアにより解析し、頭部全ニューロンの8割弱にあたる約150個の神経細胞の検出および追跡が可能であることを確認した。また、リアルタイムに特定のニューロン群を選択的に光操作するための光学システムとして、高速な空間光変調器および多光子励起が可能なフェムト秒パルスレーザーを導入し、特定のニューロンにレーザー光を集光・照射する動作の時定数を詳細に検証した。なお、検証のため、照射対象はCMOSカメラで明視野撮像した蛍光ビーズとした。検証の結果、カメラの撮像から集光までの所要時間は90 ms程度であり、自由行動中の線虫であってもリアルタイムに追従しながら集光・照射できる見込みを得た。加えて、一連の処理の各要素に要した時間も確認しており、特に計算処理に要する部分が支配的であることが確認された。この点については、計算アルゴリズムの高速化および計算ハードウエアの変更による大幅な高速化が見込まれており、現状の2D撮像から3D撮像に拡張する場合においてもリアルタイム動作を実現する見通しを得た。