文部科学省 科学研究費助成事業 「学術変革領域研究(A)」
培養細胞を用いて形成した人工神経細胞回路に対するフィードバック制御系を構築し、脳型機械学習の物理基盤をボトムアップに解析する。
本研究では、人工神経細胞回路(※マイクロ流体デバイスなどを用いて回路構造が制御された培養神経回路)に対するフィードバック制御系を構築し、A01香取らが提案する動的予測符号化モデルの生物学的妥当性をボトムアップ的に検証する。これを通じて、A01松井班との協力のもとで、生物の脳で見られる自発活動の機能的意義を明らかにする(①マルチセルラ数理モデル)。研究期間後半には、報酬修飾学習の実細胞検証へと研究を進め、化学エネルギーで駆動される「ウェットウェア」の実現に向けた基盤技術を創成する(③マルチセルラウェットウェア)。
多次元の環境情報に基づいて人工神経細胞回路に対する刺激入力をリアルタイムで生成し、さらにそこで生じる活動電位(パルス信号)の時空間ダイナミクスに応答して人工骨格筋組織(バイオアクチュエータ)を駆動するインターフェース技術を構築する。
本計画班は、文部科学省ARIMのリソースを活用して、共用機器の活用等によるデータ取得からデータ構造化まで支援し、公募研究も含めた領域全体で利活用可能なプラットフォーム整備のミッションも担当する。
代表平野 愛弓東北大学 電気通信研究所 教授Lab.HP
分担平本 薫東北大学 電気通信研究所 助教Researchmap
分担小宮 麻希東北大学 電気通信研究所 助教Researchmap
分担但木 大介東北大学 電気通信研究所 助教Researchmap
微細加工技術を用いて構造を制御した人工神経細胞回路を用いて,大脳皮質神経回路の損傷耐性や修復特性,さらには薬理作用をボトムアップ的に解析し,新規な医工学ウェットウェアデバイスとしての有用性を証明する。
損傷耐性と自己修復性は、情報処理システムとしての脳のもっとも重要な特徴である。本計画班では、はじめに、集光したナノ秒パルスUVレーザーを用いて、大脳皮質運動野の実細胞モデルであるモジュール構造型人工神経細胞回路の接続部を切断する光学系を構築する。蛍光カルシウムイメージングにより計測した多細胞ダイナミクスのデータ解析はA01松井班と共同で進め、A03正水班の動物実験のデータと突合することにより、大脳皮質神経回路の損傷耐性と自己修復性について解析する。また、人工神経細胞回路に対する薬理作用をボトムアップ的に評価・解析し、化学変調疾患のモデリングを目指す。これらを通じて、神経細胞ネットワークの損傷耐性と自己修復特性を、回路構造(規模、モジュール性、切断部位など)や薬剤感受性の観点から系統的に明らかにする(マルチセルラ数理モデル)。研究期間後半には、領域内のヒト由来神経細胞の培養技術と連携し、疾患モデリングと新薬評価系の観点から人工神経細胞回路のマルチセルラウェットウェアとしての有用性を医工学分野で提示する。