光遺伝学 – さくらフォトニクス株式会社

二色ナノフォトニック神経プローブの量産製造による光刺激と電気生理学的記録

Kazuhisa Omi — Tue, 21 Apr 2026 04:55:08 +0000

Roszko, D.A., Chen, F.-D., Straguzzi, J., Wahn, H., Xu, A., McLaughlin, B., Yin, X., Chua, H., Luo, X., Lo, G.-Q., Siegle, J.H., Poon, J.K.S., Sacher, W.D. “Foundry-fabricated dual-color nanophotonic neural probes for photostimulation and electrophysiological recording.” Neurophotonics 2025, 12(2), 025002. https://doi.org/10.1117/1.NPh.12.2.025002

背景

　特定の細胞種の神経活動を光で選択的に制御する技術である光遺伝学は、神経科学において不可欠な手法となっており、近年急速に研究が進められている。異なる活性化波長を持つ複数の光感受性蛋白質（オプシン）を組み合わせることで、同一脳領域内の異なる細胞種の独立した興奮・抑制が可能となる。深部脳組織（深さ1 mm超）への光照射には、集積光電子回路や集積フォトニクス技術に基づく埋込み型デバイスが開発されている。集積光導波路と回折格子により外部光源からの光を脳内に導く光導波路型神経プローブは、光源をシャンク外に配置するため高い光出力が得られ、さらに窒化ケイ素（SiN）導波路の広帯域透過性を利用して複数波長の多重化が可能である。

従来の問題点

　しかし、従来の光電子型プローブはシャンク幅が大きく組織損傷を招くか、出力が極めて低く空間分解能が制限される問題があった。また、光導波路型プローブは発展途上であり、二色光刺激に対応した報告は少なく、リング共振器方式は製造ばらつきに敏感であること、空間多重化のみでは隣接導波路間の漏話により射出部密度が制限されることが課題であった。

解決方法と結果

　そこで、本研究では空間多重化と波長分割多重化を組み合わせた二色ナノフォトニック神経プローブを商用Si フォトニクス量産工場で製造し、単一シャンク上に青色（473 nm）26個・赤色（638 nm）26個の計52個の射出部と26個の記録電極を集積することで、従来の光導波路型プローブとして最多の射出部数を実現した。生体内実験では、青色光感受性マウスの皮質において広範な発火率の低下を、赤色光感受性マウスの線条体において局所的な神経興奮を確認し、二色光刺激と電気生理学的記録の同時実行を実証した。Cobolt社製の473 nm（300 mW）および638 nm（180 mW）半導体レーザーは、多芯光ファイバーを介してプローブへ高強度の青色光・赤色光を供給する二色走査光学系の光源として使用された。

※この要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

使用された457nmと638nmレーザー

457nmレーザー

638nmレーザー

その他の論文要約はCobolt論文検索ページをご覧ください。

不安と恐怖行動を制御する腹側海馬の異なる抑制性微小回路

Kazuhisa Omi — Sun, 12 Apr 2026 09:02:30 +0000

Li, K., Koukoutselos, K., Sakaguchi, M., Ciocchi, S. “Distinct ventral hippocampal inhibitory microcircuits regulating anxiety and fear behaviors.” Nature Communications (2024) 15:8228. https://doi.org/10.1038/s41467-024-52466-4

背景

　不安と恐怖は、どちらも生体が危険な環境で生存するための防衛行動を引き起こす負の情動状態であり、その神経基盤の解明は精神医学的疾患の理解にも直結することから、近年盛んに研究が進められている。不安は潜在的・予期的な脅威によって喚起されるのに対し、恐怖はより具体的・即時的な脅威によって惹起される。これらの情動処理には、扁桃体・腹側海馬・内側前頭前皮質が中心的な役割を果たしており、多様な長距離投射を介して相互に連絡している。
　なかでも腹側海馬CA1領域（vCA1）は注目されており、側部視床下部や内側前頭前皮質への投射が不安に関与し、扁桃体への投射が文脈依存的な恐怖に関与することが明らかになっている。vCA1には、GABA（γ-アミノ酪酸）を放出する抑制性介在神経細胞が複数種存在する。これらはGABAergic介在神経細胞と総称され、錐体神経細胞（主要な興奮性細胞）の活動を部位特異的に制御する。臨床的にも、GABA受容体を調節するベンゾジアゼピン系薬が不安症治療の第一選択薬として広く用いられていることから、vCA1の抑制性回路と情動との関係解明は重要な課題である。

従来の問題点

　しかし、vCA1から出発する複数の並行する長距離投射経路が不安と恐怖においてそれぞれ異なる役割を担うことは示唆されていたものの、これらの経路特異的な活動パターンがどのような局所回路メカニズムによって生み出されるのかは不明であった。特に、ソマトスタチン（Sst）、血管作動性腸管ペプチド（VIP）、パルブアルブミン（PV）といった各抑制性介在神経細胞のサブタイプが、不安と恐怖のそれぞれに対してどのように選択的に関与するかは解明されていなかった。

解決方法と結果

　そこで本研究では、自由行動下のマウスにおいてvCA1錐体神経細胞および各種GABAergic介在神経細胞に対するin vivoカルシウムイメージングと光遺伝学的操作を組み合わせることで、この問題を解決した。カルシウムイメージングには、GCaMP6fの励起光源として Cobolt社製488 nmレーザー（出力1 mW）を使用し、個々の神経細胞の活動をリアルタイムで記録した。また、光遺伝学的操作には同じくCobolt社製594 nmレーザー（出力8〜12 mW）を用いて、抑制型オプシン（eNpHR3.0）や興奮型オプシン（ChrimsonR）を発現させた神経細胞を選択的に制御した。
　その結果、PV介在神経細胞が不安行動時に特異的に活性化され錐体神経細胞の活動を適切なレベルに制御する「不安微小回路」と、VIP介在神経細胞がSst介在神経細胞を抑制することで錐体神経細胞を脱抑制する「恐怖微小回路」という、機能的に独立した二つの抑制性微小回路の存在が明らかとなった。これにより、同一のvCA1領域内で不安と恐怖が異なる局所回路によって符号化されることが初めて実証された。

※本要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

論文で使用された488nmと594nmレーザー

488nmレーザー

594nmレーザー

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生細胞および動物における光遺伝学的なタンパク質・mRNAの貯蔵と放出

Kazuhisa Omi — Tue, 17 Mar 2026 01:44:37 +0000

Lee, C., Yu, J., Shin, J., Yu, J., Heo, Y., Lee, M., Yu, D., Park, Y. & Heo, W.D. “Optogenetic storage and release of protein and mRNA in live cells and animals.” Nature Communications 2025, 16, 6230. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61322-y

背景

　細胞は膜を持たない構造体である生体分子凝縮体を形成し、内部空間を効率的に組織化することで様々な生化学反応を制御している。生体分子凝縮体は、多価相互作用を介して足場となるタンパク質が集合することで形成され、シグナル伝達の促進や生体分子の貯蔵といった重要な機能を担っている。近年、この凝縮体の機能を人工的に再現・制御する研究が急速に進められており、特定のシグナル経路の増強や液滴様の物理的性質の模倣を目指した人工凝縮体の開発が行われている。

従来の問題点

　しかし、既存の人工凝縮体は様々な生体分子と動的に相互作用するため、特定の標的分子を精密に隔離する能力に欠けていた。また、タンパク質の貯蔵が可能な既存の合成凝縮体はmRNAの貯蔵には対応しておらず、タンパク質とmRNAの両方を可逆的に制御できる系は存在しなかった。

解決方法と結果

　そこで、本研究では多価性を最適化した足場タンパク質、光遺伝学的スイッチ、および標的結合ドメインを融合させたRELISR（Reversible Light-Induced Store and Release）と名付けた光応答性凝縮体系を開発することによって、この問題を解決した。RELISRは暗所でタンパク質やmRNAを凝縮体内に貯蔵し、青色光照射により放出することを可能にした。光照射にはCobolt社製の488 nm波長レーザー発振器を用い、全細胞刺激および局所刺激の両方で凝縮体の解離を誘導した。本系はHeLa細胞、線維芽細胞、ラット初代海馬神経細胞において機能し、Vav2などのシグナルタンパク質の光誘導放出による細胞形態変化の制御に成功した。さらに、mRNA-RELISRを用いた標的mRNAの翻訳制御を試験管内およびマウス生体内で実証し、光依存的な遺伝子発現制御の可能性を示した。

※本要約は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）に基づいています。

細胞刺激に使用された488nmレーザー

488nmレーザー

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