脳深部神経回路の高時空間分解能観察デバイスの開発

脑深部神经回路高时空分辨率观测装置研制

基本信息

批准号：
20J23439
负责人：
杉江謙治
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Nara Institute of Science and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

マウス脳神経活動を光学的および電気生理学的に同時記録するための生体埋植型マルチモーダルセンサの開発およびその基本機能の実証を行った．マルチモーダルセンシングは信号の同時記録により情報を補完し合い，単一の計測手法では観察困難な現象を記録する．開発したセンサは生体埋植CMOSイメージセンサと神経アンプを同一チップ上に集積することで，単一のチップでマルチモーダルセンシング機能を実現している．開発したセンサの基本機能の実証のために麻酔下マウスの海馬領域にセンサを埋植し，イメージングと細胞外電位計測による同時記録を行った．その結果クロストークノイズの影響をほとんど受けることなく，神経活動と思われる光強度変化と細胞外電位変化の同時記録を達成した．得られた研究成果は国際学会IEEE Photonics Conferenceで発表を行った．また，Sensors and Materialsへ論文を投稿し採択された．なお動物実験は奈良先端大の動物実験倫理規定に準拠して行われた．また，画素を角度選択画素で構成し，画素アレイ上に記録電極を２つ配置したマルチモーダルセンサを作製した．角度選択画素は生体埋植CMOSイメージセンサの距離に伴う空間分解能の劣化を低減するために開発された画素である．１つの開口部を４つのフォトダイオードが共有し，斜め入射光の選択的な検出をレイアウトで実現している．被写界深度が深くなるように開口が絞られており，画像処理によって仮想的な焦点面上に結像させることで，従来の画素に比べて高い空間分解能を達成している．画素アレイ上に配置された記録電極は画素の金属配線層の一部を信号線として利用し，同一領域でのイメージングと細胞外電位計測を可能にする．このように空間分解能を改善したマルチモーダルセンサは，より小さな細胞集団からの神経活動記録することで詳細な脳機能解析に貢献する．

我们开发了一种植入式多模态传感器，用于同时记录小鼠脑神经活动的光学和电生理学信息，并展示了其基本功能。多模态传感通过同时记录信号来补充信息，并记录用单一测量方法难以观察到的现象。所开发的传感器通过在同一芯片上集成生物植入CMOS图像传感器和神经放大器，在单芯片上实现多模态传感功能。为了展示所开发的传感器的基本功能，我们将传感器植入麻醉小鼠的海马区，并使用成像和细胞外电位测量进行同步记录。结果，我们能够同时记录光强度变化和细胞外电位变化，这被认为是神经活动，而不受串扰噪声的影响。获得的研究成果在国际学术会议IEEE Photonics Conference上发表。另外，我向Sensors and Materials投了一篇论文，被接受了。动物实验按照奈良科学技术研究所的动物实验伦理规定进行。我们还创建了一种多模态传感器，其中像素由角度选择性像素组成，两个记录电极放置在像素阵列上。角度选择像素是为了减少由于活体植入CMOS图像传感器的距离而造成的空间分辨率的劣化而开发的像素。 4个光电二极管共用一个孔径，该布局实现了对斜入射光的选择性检测。缩小光圈以增加景深，并通过使用图像处理在虚拟焦平面上形成图像，实现比传统像素更高的空间分辨率。放置在像素阵列上的记录电极使用像素的部分金属布线层作为信号线，允许在同一区域进行成像和细胞外电位测量。具有改进的空间分辨率的多模态传感器可以通过记录较小细胞群的神经活动来有助于详细的大脑功能分析。

项目成果

期刊论文数量（12）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Implantable Multimodal Sensing Device for Simultaneous Imaging and Electrophysiological Recording of Mouse Brain Activity

用于小鼠大脑活动同步成像和电生理记录的植入式多模态传感装置

DOI：
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
1.2
作者：
Kenji Sugie; Kiyotaka Sasagawa; Ryoma Okada; Yasumi Ohta; Hironari Takehara; Makito Haruta; Hiroyuki Tashiro;Jun Ohta
通讯作者：
Jun Ohta

Implantable CMOS Image Sensor with a Neural Amplifier for Simultaneous Recording of Optical andElectrophysiological Signals

具有神经放大器的植入式 CMOS 图像传感器，用于同时记录光学和电生理信号

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
0
作者：
Kenji Sugie; Kiyotaka Sasagawa; Yasumi Ohta; Hironari Takehara; Makito Haruta; Hiroyuki Tashiro; Jun Ohta
通讯作者：
Jun Ohta

Development of Compact Readout Device for Neural Observation System Using Fluorescence Imaging and Fast-Scan Cyclic Voltammetry

利用荧光成像和快速扫描循环伏安法开发用于神经观察系统的紧凑型读出装置

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Ronnakorn Siwadamrongpong; Nicha Sato; Kenji Sugie; Yasumi Ohta; Makito Haruta; Hironari Takehara; Hiroyuki Tashiro; Kiyotaka Sasagawa; Jun Ohta
通讯作者：
Jun Ohta

イメージングおよび細胞外電位同時計測機能を有する生体埋植マルチモーダルセンサ

具有成像和细胞外电位同时测量功能的活体植入式多模态传感器