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.

• 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
• 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
• 高精度電気計測による1神経細胞レベルの機能計測と脳機能の理解
• マイクロ加工技術による神経ネットワークの制御
• 軸索の機能評価と神経疾患の理解への応用
• ヒトiPS細胞を用いた神経機能の理解と再生医療への応用
• マルチスケールなデータをつなぐ計測・解析手法の構築

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) Zheng T, Kotani K, and Jimbo Y: Distinct effects of heterogeneity and noise on gamma oscillation in a model of neuronal network with different reversal potential, Scientific Reports 11, 12960, 2021
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

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) Senda J, Tanaka M, Iijima K, Sugino M, Mori F, Jimbo Y, Iwasaki M, and Kotani K: Auditory stimulus reconstruction from ECoG with DNN and self-attention modules, Biomedical Signal Processing and Control, 89, 105761, 2024
2) 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) Nishi H*, Mizuno S, Fujino K, Loe, I. A, Wang Y, Ishide T, Jimbo Y, Nangaku M, and Kotani K*, Motion-capture technique-based interface screen displaying real-time probe position and angle in kidney ultrasonography, Clinical and Experimental Nephrology 26, 735-740, 2022
*Equal contribution
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) Mori F, Sugino M, Huang Y, Kotani K, Jimbo Y., Control of Electric Wheelchair by Brain-computer Interface Using Mixed Reality and Virtual Sound Source, IEEJ Transactions on electrical and electronic engineering 19, 1014 – 1025, 2024
2) 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) Numata T, Kotani K, and Sato H: Relationship between subjective ratings of answers and behavioral and autonomic nervous activities during creative problem-solving via online conversation, Frontiers in Neuroscience, 15:724679, 2021
2) Kotani K, Tachibana M, and Takamasu K: Respiratory phase domain analysis of heart rate variability can estimate cardiac vagal activity accurately during a mental arithmetic task, Methods of Information in Medicine, 46, 376-385, 2007

高精度電気計測による1神経細胞レベルの機能計測と脳機能の理解

脳は非常に多くの神経細胞が形成したネットワークにより機能しています．複雑な脳機能をよりシンプルな系から理解するために，26,400点の電極が高密度に集積化された計測チップを使って，培養した神経細胞の活動を計測しています．さらに計測後に狙ったタンパク質に対して染色操作を行うことで，細胞の種類と機能の関係を評価しています．

1) S. Iida, K. Shimba, K. Sakai, K. Kotani, Y. Jimbo, 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) Y. Tanaka, T. Isomura, K. Shimba, K. Kotani, Y. Jimbo, Neurogenesis enhances response specificity to spatial pattern stimulation in hippocampal cultures, IEEE Transaction on Biomedical Engineering, Vol. 64, Issue 11, pp. 2555-2561, 2017.

マイクロ加工技術による神経ネットワークの制御

マイクロ加工技術により微小なトンネル構造を形成できます．トンネルにより培養区画をつなぐことで，複数のネットワークの相互作用を計測できます．例えば，海馬と大脳皮質のネットワークをつなぐと，それぞれのネットワークがもともとの活動特性を維持した状態で同期した活動を示しました．

1) C.H. Chang, T. Furukawa, T. Asahina, K. Shimba, K. Kotani, Y. Jimbo, Coupling of in vitro neocortical-hippocampal coculture bursts induces different spike rhythms in individual networks, Frontiers in Neuroscience, Vol. 16, 873664, 2022
2) K. Shimba, K. Sakai, Y. Takayama, K. Kotani, Y. Jimbo, Recording axonal conduction to evaluate the integration of pluripotent cell-derived neurons into a neuronal network, Biomedical Microdevices, Vol. 17, No. 5, 94, 2015

軸索の機能評価と神経疾患の理解への応用

高密度に電極が集積化された利点を活かし，神経細胞がほかの細胞に信号を送るケーブルである軸索の機能を計測しています．生体内で起こる跳躍伝導と呼ばれる現象を再現し計測することに成功しています．

1) K. Shimba, T. Asahina, K. Sakai, K. Kotani, Y. Jimbo, Recording Saltatory Conduction along Sensory Axons Using a High-Density Microelectrode Array, Frontiers in Neuroscience, Vol. 16, 854637, 2022
2) K. Shimba, K. Kotani, Y. Jimbo, Microfabricated Device to Record Axonal Conduction under Pharmacological Treatment for Functional Evaluation of Axon Ion Channel, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, Vol. 68, No. 12, 2021

ヒトiPS細胞を用いた神経機能の理解と再生医療への応用

ヒトiPS細胞から大脳皮質や感覚神経，脊髄といった部位の神経細胞を分化誘導することで，ラットやマウスとは異なる，ヒトの特性を持つ細胞を得ることができます．ヒト固有の機能や，移植に向けたヒト細胞の評価系の構築といった応用先があります．これまでに，ヒト神経細胞のネットワークの成熟にはラットと比較して10倍程度の期間がかかることを実際に活動から計測しました．

1) K. Shimba, K. Sakai, S. Iida, K. Kotani, Y. Jimbo, Long-term developmental process of the human cortex revealed in vitro by axon-targeted recording using a microtunnel-augmented microelectrode array, IEEE Transaction on Biomedical Engineering, Vol. 66, No. 9, pp. 2538-2545, 2019
2) S. Iida, K. Shimba, K. Sakai, K. Kotani, Y. Jimbo, 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

マルチスケールなデータをつなぐ計測・解析手法の構築

軸索から組織まで，様々なサイズの対象から電気活動による機能評価と染色による構造計測を行うことができます．これらのデータを組み合わせ，細胞からネットワークまでの機能を網羅的に計測・解析するための手法の開発に取り組んでいます．