下記内容が東京大学 生産技術研究所よりプレスリリースされました。

竹内昌治教授はWPI-IRCNの主任研究員を兼任しています。

【パズルのように神経回路を組み立てる 〜 生きた神経細胞を自在につなぎ、ネットワークを構築 〜】

1.発表者:    東京大学 生産技術研究所 教授     竹内 昌治 東京大学 生産技術研究所 特任研究員     吉田 昭太郎

2.発表のポイント:

  • 神経細胞の軸索・樹状突起・細胞体の本数や位置を制御しながら培養可能にする「マイクロプレート」デバイスを開発しました。
  • マイクロプレートの位置を操作することで、パズルのように神経回路を組み立てられることを示しました。
  • 神経回路の形成・発達の研究や薬物試験のツールとして応用されることが期待されます。

3.発表概要:

東京大学 生産技術研究所の竹内 昌治 教授(東京大学 国際高等研究所ニューロインテリジェンス国際研究機構(WPI-IRCN)を兼務)と吉田 昭太郎 特任研究員らの研究グループは、生きた神経細胞の形態(軸索・樹状突起・細胞体の本数や位置)を制御しながら培養可能にする「マイクロプレート」デバイスを開発しました。また、神経細胞を培養したマイクロプレート同士をパズルのように組み立てることで、自在に神経回路を構築可能であることを示しました。この技術によって、研究者が解析したい神経回路を培養皿の中でデザインすることが可能になり、神経回路の形成・発達の研究や薬物試験のツールとして応用されることが期待されます。

私たちの脳内の神経回路を構成する神経細胞には、情報を入力する樹状突起、統合する細胞体、出力する軸索と呼ばれる構造が存在します(図1a 左)。今回開発した「マイクロプレート」デバイスは、バイオMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)

(注1)技術を用いて製作され、1つの神経細胞の軸索・樹状突起・細胞体をそれぞれ載せることができる線と円からなる板状の構造をしており、その上で神経細胞を培養可能になっています(図 1a 右)。軸索は長く樹状突起は短いという性質を利用することで、マイクロプレートの形状によって神経細胞の形態を制御することが可能になります(図 1b)。また、このマイクロプレートの位置は培養中に変更可能となっており、マニピュレータ(注2)で押してマイクロプレート同士を接続することで、パズルのように神経回路を組み立てることが可能になります。

今回は海馬の神経細胞を用いて、実際に1つのマイクロプレートによって1つの神経細胞を培養可能であることが示され(図2a)、その軸索・樹状突起の位置も制御可能であることがわかりました(図2b)。また、マニピュレータを用いて、培養中に神経細胞の位置を変更することが可能であり(図3a)、神経細胞を接続して自在に神経回路を組み立てることが可能であることが示されました(図3b)。接続した神経細胞同士の間には、シナプス結合と呼ばれる神経回路の接続点が形成され(図 3c)、それらの神経活動(発火、注3)が同期することがわかりました(図3d)。これらの結果より、今回開発されたマイクロプレートを用いることで、研究者が自在に神経回路をデザインできるようになり、神経回路の形成・発達の基礎研究や薬物試験へ応用されることが期待されます。

 

4.発表雑誌:

雑誌名         :「Micromachine」(オンライン版:日本時間5月15日(火))

論文タイトル :Assembly and Connection of Micropatterned Single Neurons for Neuronal Network Formation

著者             :Shotaro Yoshida, Midori Kato-Negishi and Shoji Takeuchi

 

5.問い合わせ先:

東京大学 生産技術研究所

教授    竹内 昌治(たけうち しょうじ) Tel:03-5452-6650                  Fax:03-5452-6649

E-mail:takeuchi@iis.u-tokyo.ac.jp

研究室 URL:http://www.hybrid.iis.u-tokyo.ac.jp/

 

6.用語解説:

注1)バイオMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)

機械・電子部品を集積化したマイクロデバイスを製作するためのMEMS技術を、化学・バイオ分野で用いるために発展させた分野。微小空間で化学反応を起こすリアクタや細胞周辺の微小環境をチップ上に作りこみ、一分子・一細胞の解析を行うことができる。

注2)マニピュレータ

マイクロサイズの物体に対して、移動・刺激・抽出などの操作を精密に行うことができる装置。

注3)発火

神経細胞の細胞膜の電位が一定値以上上昇した際に発生する、瞬間的な電位の急上昇。神経細胞同士がシナプス結合で接続された際に発生のタイミングが同期し、細胞間で情報伝達が行われる。

7.添付資料:

図1 マイクロプレートによる神経細胞の形態制御と神経回路の組み立て

図2 軸索・樹状突起・細胞体の位置の制御

図3 神経回路の組み立てと回路形成の評価

参照先:https://www.iis.u-tokyo.ac.jp/ja/news/2909/