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神経細胞機能化研究の公開プラットフォーム構築 A public platform for neurofunctionalization research.

構成メンバー

People

研究リーダー Project Leader
池内 与志穂 准教授 Yoshiho Ikeuchi Associate Professor
東京大学 生産技術研究所 Institute of Industrial Science, The University of Tokyo
研究担当者 Researcher
  • no image
    胡 画若 Huaruo Hu
  • no image
    鍋田 篤宏 Atsuhiro Nabeta
  • 周 小余 Siu Yu Chow
  • no image
    ドゥンキー 智也 Tomoya Duenki
  • Miles Pennington 教授 Miles Pennington Professor
  • 國枝 良 Ryo Kunieda
  • 對馬 清元 Kiyomoto Tsushima
  • 田中 季晃 Toshiaki Tanaka
  • 金 孟佳 Jin Mengjia

ビデオ

Movie

課題

Challenges

神経オルガノイド解析オープンソースプラットフォームのプロトタイプ構築と、デモンストレーションモデルシステムの構築を行うことによって、最終的には神経細胞を用いたバイオコンピューターの実現を目指します。

具体的には以下を目的とします。
1. 研究室外からオルガノイドにアクセスできるシステムの開発
2. オルガノイドの性能向上パラメータ・理論の共有
3. 培養神経・オルガノイド機能化、研究の民主化
4. 研究分野・コミュニティ形成
5. オルガノイド研究、Beyond AI研究推進機構のPR

Toward an ultimate goal of realizing a biocomputer using biological neurons, we constructed a prototype of an open source platform for neural organoid analysis and a demonstration model system.

Specific aims:
1. Development of a system that allows access to organoids from outside the laboratory
2. Considering parameters and theories for organoid functionality improvement
3. Public inclusion to research on functionalization of cultured neurons and organoids
4. Formation of research field/community
5. Public relations activity for organoid research and Institute for AI and Beyond

研究の内容

Details of Project

神経細胞が機能を獲得するためには、外界とのインタラクションを持つことが重要であると考えられています。バーチャルな外界を神経細胞に与え、一定のルールに従って神経細胞にフィードバックしてあげることで、それを神経細胞が学べばタスクをこなすことができるようになると考えられます。しかし、さまざまな障壁があるので、実際にはその実現は大きなチャレンジです。

本研究では、外界として迷路を神経に与えました。バーチャルな迷路内での状態に合わせて神経に刺激を与えることで、神経オルガノイドと迷路が閉ループ状態となるようにします。このような状態にした上で、神経オルガノイドが迷路からフィードバックを受けるように条件を調整し、オルガノイドがそれに合わせて変化することができれば、神経オルガノイドが迷路を解くまでの時間などの「性能」を向上させることができるという仮説が立てられます。

しかし実際には培養された神経オルガノイドはどのような刺激を受けると活動を増減させたり、活動パターンを変化させられたりするのかは未知のものです。 どのようなルールで刺激を与えるのが良いのかを探索し、議論を深めるために、SynapTrekと名付けた公開プラットフォームをソフトバンクと東大がメンバーを出し合った共同チームで開発いたしました。

多様なタイミングでさまざまなパターンの刺激を与えられる可能性が無限にありますがSynapTrekユーザーがそれぞれの信じる理論や方法論によって刺激パターンを選んでテストすることで、神経オルガノイドの迷路タスク性能を指標として神経制御の基本法則を探すことができます。神経を普段培養しない研究者が実験に参加できるようにすることで、培養ニューロン機能化研究を加速することができると思われます。門戸を広げることによって培養神経・オルガノイド機能化研究の「民主化」を達成し、研究分野・コミュニティ形成によって持続的に発展する素地を作ることも、この分野の学術の振興と追究にとって重要と言えるでしょう。

Interaction with the external world is important for living systems to acquire functions. By providing a virtual outside world and effectively return feed back to them according to certain rules, it is hypothesized that neurons could perform tasks by learning the environment, if it possesses similarity to our brains. However, there are various barriers to its realization, making it a great challenge.

In this study, a maze environment was virtually given to the neurons as an external world. By stimulating the nerves according to their state in the virtual maze, the neural organoids and the maze are placed in a closed-loop state. The hypothesis is that if the conditions can be adjusted so that the neural organoids receive feedback from the maze and the organoids can change accordingly, then the neural organoids could improve their “performance,” such as the time it takes to solve the maze.

In reality, however, it is unknown what kind of stimuli can cause cultured neural organoids to increase or decrease their activity or change their activity patterns. In order to explore and discuss what rules should be used for stimulation, a public platform named SynapTrek was developed by a joint team consisting of members from SoftBank and The University of Tokyo.

The possibilities are unlimited to provide various patterns of stimulation at various times, and SynapTrek users can choose and test stimulation patterns according to their own theories and methodologies to search for the basic rules of neural control using the maze task performance of neural organoids as an indicator. The system is designed for researchers who do not routinely culture neurons. By allowing researchers who do not routinely culture neurons to participate in the experiments, we believe we can accelerate research on functionalization of cultured neurons. It is also important for the promotion and pursuit of science in this field to achieve the “democratization” of cultured neuron/organoid functionalization research by opening the door, and to create the groundwork for sustainable development through the formation of research fields and communities.

価値・期待

Values / Hopes

目標通り、神経オルガノイド解析オープンソースプラットフォームのプロトタイプ構築と、デモンストレーションモデルシステムの構築が完了いたしました。また、システムの利用や、「培養ニューロンの機能と未来」シンポジウムなどによって、培養神経・オルガノイド機能化研究の「民主化」が達成され、研究分野・コミュニティ形成に成功しました。形成したコミュニティと研究の盛り上がりを絶やさず、研究をさらに発展させるとともに、産業化に寄与する研究の種を生み出すことを今後の展望とします。

As planned, we have completed the construction of a prototype neural organoid analysis open source platform and a demonstration model system. In addition, we achieved the promotion of "democratization" of cultured neuron/organoid functionalization research, and succeeded in forming a research field and community, through the use of the system and the symposium "Emerging Functionality of Cultured Neurons". Our near future outlook is to continue to maintain the excitement of the community and research we have formed, further develop our research and create the seeds of research that will contribute to industrialization.