研究概要

本研究室では, 細胞から個体までの生命現象を理解する研究を行っています．
具体的なテーマは下記のようなものがあり, それぞれの学生が興味を持った対象を研究しています.

• 神経回路網による脳・神経機能の理解
• 微細加工技術を用いた神経活動の同時多点計測細胞とネットワーク制御
• iPS細胞を用いた神経機能の理解と再生医療への応用
• 迷走神経刺激法の作用メカニズムの解明
• 自律神経―心筋系の活動理解と不整脈モデル
• 磁気刺激の影響評価
• 非線形科学によって生命現象の動作原理を知り，活用する
• 脳神経活動を数理モデルから再現・予測
• 非侵襲脳計測による脳内情報処理の解明
• 循環器検査の自動化と自律神経による循環器調節機構の解明
• 多感覚拡張現実感技術を用いた新しいBrain-computer-interface
• 実生活を豊かにする生体信号解析・支援技術の開発

神経回路網による脳・神経機能の理解

神経回路網を用いた実験により，神経細胞・シナプス結合・神経ネットワークの記憶・学習に関わるメカニズムを明らかにする研究を行っています．さらに，明らかにしたメカニズムを利用して，神経回路網の計測から神経回路網の機能を解析する研究を行っています．

1) Iida S, Shimba K, Sakai K, Kotani K, Jimbo Y, “Synchronous firing patterns of induced pluripotent stem cell-derived cortical neurons depend on the network structure consisting of excitatory and inhibitory neurons”, Biochemical and Biophysical Research Communications, Vol. 501, Issue 1, pp. 152-157, 2018.
2) Tanaka Y, Isomura T, Shimba K, Kotani K, Jimbo Y, “Neurogenesis enhances response specificity to spatial pattern stimulation in hippocampal cultures,” IEEE Transaction on Biomedical Engineering, Vol. 64, Issue 11, pp. 2555-2561, 2017.

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微細加工技術を用いた神経活動の同時多点計測細胞とネットワーク制御

生体システムは, 情報の分散表現とその並列処理に特徴があります. 本研究室では, 微細加工技術で製作したデバイスを用いて, 情報処理・病理・治療メカニズムの解明を目指しています．神経細胞の活動の計測には電極アレイ法*を使い，神経回路網の形態の制御にはマイクロ通路を用いています．
(*)電極アレイ(MEA: Microelectrode Arrays)法：多数の電極を配置したシャーレの上に細胞を育て, 細胞の活動を長期間に渡って同時多点計測・刺激可能な手法

1) Sakai K, Shimba K, Kotani K, Jimbo Y, “Stripe-patterned Microtunnel Device for Evaluating Acceleration of Conduction Velocity in Neuron and Schwann Cell Myelinating Co-culture”, Sensors and Materials, Vol. 30, No. 12 (3), 2019.

iPS細胞を用いた神経機能の理解と再生医療への応用

パーキンソン病・アルツハイマー病・脳卒中といった神経変性・神経細胞死を伴う疾患に対して, 喪失した神経機能を回復させることを目的とした再生医療技術の実用化が期待されています．本研究室では，ヒトiPS細胞から分化誘導した神経細胞と微細加工技術を用いて, ヒト神経回路網の発達過程や，移植部位における神経細胞間の機能的結合の評価を行なっています.

1) Shimba K, Sakai K, Iida S, Kotani K, Jimbo Y, Long-term developmental process of the human cortex revealed in vitro by axon-targeted recording using a microtunnel-augmented microelectrode array, IEEE Trans Biomed Eng, in press.
2) Shimba K., Sakai K., Takayama Y., Kotani K., Jimbo Y., Recording axonal conduction to evaluation the integration of pluripotent cell-derived neurons into a neuronal network, Biomedical Microdevices, Vol. 17, Article 94, 2015

迷走神経刺激法の作用メカニズムの解明

てんかんは, 大脳皮質神経細胞の過剰な同期発火によって反復性の発作が引き起こされる慢性疾患で, 発作によって不随意運動(痙攣), 意識障害を伴う重篤な病気です. 罹患者の約30％は抗てんかん薬を服用しても症状が改善されない難治性てんかんを患っています. 近年, その難治性てんかんに対する治療として、迷走神経刺激法 (Vagus nerve stimulation: VNS) が注目されています. しかし, 迷走神経刺激作用のメカニズムは未知な部分が多く, 患者さんに対する刺激効果の予測は困難であり, 最適な電気刺激方法も未だ確立されていません. そこで本研究室では, 微細加工技術を用いて, VNSの作用メカニズムの解明を目指し, 刺激効果の予測・効果的な刺激法の確立を目指しています.

 

自律神経―心筋系の活動理解と不整脈モデル

心拍リズムの制御には心臓内の刺激伝導系だけでなく自律神経系が深く関与しています．本研究室では，心筋拍動の自律神経性調節機構の解明，さらには不整脈治療など医療応用を想定して，交感神経－心筋細胞の共培養系をマイクロデバイス上で確立し，神経系を含む現象を細胞レベルで観測・評価しています．具体的には（１）自律神経系による心臓拍動リズム調節現象，（２）幹細胞由来心筋系に対する自律神経系の機能的支配に関して，マイクロデバイスを駆使して形態観察と電気生理計測データ取得を行っています．これらの試みにより自律神経系に起因する不整脈発生機序の理解，幹細胞を用いた再生治療の実現に向けた評価技術としての確立を目指しています．

1) Sakai K, Shimba K, Ishizuka K, Yang Z, Oiwa K, Takeuchi A, Kotani K, Jimbo Y, Functional innervation of human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes by co-culture with sympathetic neurons developed using a microtunnel technique, Biochemical and Biophysical Research Communications, Vol.494, No. 1-2 pp. 138-143, 2017.
2) Takeuchi A., Nakafutami S., Tani H., Mori M., Takayama Y., Moriguchi H., Kotani K., Miwa K., Lee J., Noshiro M., Jimbo Y., Device for co-culture of sympathetic neurons and cardiomyocytes using micro- fabrication, Lab on a Chip, Vol. 11, pp. 2268-2275, 2011

磁気刺激の影響評価

中枢神経系に対する磁気刺激は, 古くから多くの医療現場で利用されています. 近年では反復経頭蓋磁気刺激を用いた脳・神経疾患の治療やリハビリテーションが積極的に行われるようになり, 重篤な神経疾患治療に対する磁気刺激の応用が期待されています. しかし, 磁気刺激が神経回路網の活動を変調する作用メカニズムについては現在でもその多くが不明であり, 治療における刺激による作用(副作用も含む)が明確ではありません. そこで, 本研究室では培養神経回路網に対して磁気刺激を行い, 影響を評価することによって, そのメカニズムを明らかにしようとしています.

1) Saito A., Takayama Y., Moriguchi H., Kotani K., Jimbo Y., Induced current-pharmacological split stimulation system for neuronal networks, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 61, pp. 463-472, 2014
2) Saito A., Takayama Y., Moriguchi H., Kotani K., Jimbo Y., Effects of Extremely Low Frequency Magnetic Fields on Neuronal Development of P19 Embryonal Carcinoma Cells, IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering, Vol. 6, pp. 157-162, 2011

非線形科学によって生命現象の動作原理を知り，活用する

私たちの体の中では, 数多くの細胞が協同して活動することで複雑な処理や制御を可能にしています. そのメカニズムを明らかにするには，非線形動力学を含めた数学や物理学の理論を用いること, またさらに理論を発展させることが必要になります.
脳や遺伝子制御，内分泌系制御などにおける数理解析を通して，遺伝子制御系における遺伝子変異の影響解析や，神経系の伝達遅れを取り入れた機械学習手法の提案などを行っています．

1) I. Kinoshita, A. Akao, S. Shirasaka, K. Kotani, Y. Jimbo. Analysis of reservoir computing focusing on the spectrum of bistable delayed dynamical systems. Electron Comm Jpn. 102, 15-20, (2019)
2) K. Kotani, I. Yamaguchi, Y. Ogawa, Y. Jimbo, H. Nakao, and G. Bard Ermentrout, Adjoint Method Provides Phase Response Functions for Delay-Induced Oscillations, Physical Review Letters Vol. 109, 044101, 2012

脳神経活動を数理モデルから再現・予測

脳の複雑な機能・ダイナミクスを明らかにするには, 数理モデルを用いたアプローチが不可欠となります. 本研究室では脳活動を再現する数理モデルを構築し, 数学理論を用いた解析を通して, 実験結果の再現や予測を行なっています.

1) A. Akao, Y. Ogawa, Y. Jimbo, B. Ermentrout and K. Kotani; Relationship between the mechanisms of gamma rhythm generation and the magnitude of the macroscopic phase response function in a population of excitatory and inhibitory modified quadratic integrate-and-fire neurons, Physical review E 97, 012209 (2018)
2) Kotani K., Yamaguchi I., Yoshida L., Jimbo Y., Ermentrout G. B., Population dynamics of the modified theta model: macroscopic phase reduction and bifurcation analysis link microscopic neuronal interactions to macroscopic gamma oscillation, Journal of the Royal Society of Interface, Vol. 11, 20140058, 2014

非侵襲脳計測による脳内情報処理の解明

脳神経活動の様子を脳波計やNIRS (Near Infra-Red Spectoroscopy: 近赤外分光法) ，fMRI (functional magnetic resonance imaging)，MEG（Magnetoencephalography：脳磁図）を使用することで, 非侵襲的に測定することができます. これらの測定信号は複雑な脳の活動を反映して変動しています. そこで記憶や計算の過程で起こる脳活動の変化を評価し, 実験から情報処理に伴う脳活動の様子を明らかにします.

1) Ogawa Y., Kotani K., Jimbo Y., Relationship between working memory performance and neural activation measured using near-infrared spectroscopy, Brain and Behavior, Vol. 4, pp. 544-551, 2014

 

循環器検査の自動化と自律神経による循環器調節機構の解明

心臓や血管といった循環器は自律神経の調節を受け, 体内の各部に必要な量の血液や酸素を運搬し続けており, この機構が滞ると重篤な疾患を引き起こしてしまいます. そこで本研究室では, 心臓や血管，および自律神経の活動を測定・解析し, 診断やリハビリテーションに役立てる研究を行なっています. また工学技術を積極的に活用することで従来困難であった計測・刺激を可能とし, より詳細に循環器調節機構を明らかにするための研究も行なっています.

1) N. Kato, S. Matsuno, M. Tateyama, Y. Ogawa, K. Kotani, and Y. Jimbo, Development of a Reassemblable Robot for Automatic Ultrasound Diagnosis, International Journal of Bioelectromagnetism, 18, 38 – 44, 2016
2) Kotani K., Takamasu K., Jimbo Y., Yamamoto Y., Postural-induced phase shift of respiratory sinus arrhythmia and blood pressure variations – insight from respiratory-phase domain analysis. American Journal of Physiology, Heart and Circulatory Physiology, Vol. 294, H1481-H1489, 2008

 

多感覚拡張現実感技術を用いた新しいBrain-computer-interface

脳活動から使用者の意思を読み取る装置はBrain-computer-interfaceと呼ばれ，福祉やリハビリテーションにおける重要な技術となっております．本研究室では，利用者に複数感覚での拡張現実感を提示するシステムを構築し，脳と外部環境のインタラクションを高速化・最適化します．

1) Naito G., Yoshida L., Numata T., Ogawa Y., Kotani K., Jimbo Y., Simultaneous Classification of Multiple Motor Imagery and P300 for Increase in Output Information of Brain-Computer Interface, Electronics and Communications in Japan, Vol. 98,  pp. 47-54, 2015

実生活を豊かにする生体信号解析・支援技術の開発

生体信号をリアルタイムに解析し, 実生活環境下での様々な支援を実現する研究を行なっています. 最先端の計測手法・解析技術を用いて, 生体信号をリアルタイムに読み解き, さらに得られた情報を使用者にフィードバックすることで, 作業を補助するシステムや映像が生体情報とインタラクティブに動くシステムを構築します.

1) T. Numata, Y. Ogawa, L. Yoshida, K. Kotani, and Y. Jimbo, High-Accuracy Extraction of Respiratory Sinus Arrhythmia with Statistical Processing Using Normal Distribution, Electronics and Communications in Japan, 96, 23-32, 2013