Research
本研究室では、神経細胞の損傷実験、神経再生実験、および深層学習による画像解析を統合し、神経損傷メカニズムの解明から再生促進技術の開発までを一貫して推進しています。
繰り返し低ひずみ負荷を受ける脳神経細胞の軸索損傷評価
柔道、サッカー、ラグビーなどのコンタクトスポーツでは、脳震盪を繰り返し受傷することで、脳が外部刺激に対して脆弱かつ過敏な状態となり、その後の外傷に対する耐性閾値が低下することが知られています。その結果、比較的軽微な衝撃であっても、重症頭部外傷後にみられるような記憶力や注意力の低下などの高次脳機能障害を引き起こす可能性があります。
交通事故やスポーツ外傷などで頭部に強い衝撃を受けると、頭部の急激な加速度・減速度運動によって脳組織に慣性力が作用し、脳が変形します。この脳組織の変形は、神経細胞間の情報伝達を担う神経軸索に引張応力を生じさせ、軸索損傷や断裂を引き起こします。脳震盪は比較的軽度な外傷性脳損傷とされていますが、その内部では微細な軸索損傷が生じていると考えられています。しかしながら、脳震盪における軸索損傷の細胞生物学的メカニズムには未解明な点が多く残されています。
本研究では、繰り返し脳震盪による軸索損傷の重症化メカニズムを解明することを目的として、培養脳神経細胞を用いた衝撃引張試験を実施しています。さらに、神経軸索が損傷に至るひずみ量やひずみ速度などの耐性閾値を定量的に評価し、反復性頭部外傷の病態解明および予防指標の構築を目指しています。
電気・機械刺激を統合した神経再生用フレキシブル電極デバイスの開発
再生医療分野では、神経細胞の機能制御技術の高度化が求められています。本研究では、銀ナノワイヤ（AgNW）とPDMSを用いた柔軟導電材料を基盤とし、神経細胞に対して電気刺激と機械刺激を同時に与えることができる次世代型細胞刺激デバイスの開発を進めています。
開発中のAgNW/PDMS電極は、高い柔軟性・導電性・伸縮性を兼ね備えており、細胞培養環境下においても安定した刺激制御を可能にします。本デバイスを用いることで、神経細胞の軸索伸長、細胞機能変化、遺伝子発現応答などを定量的に評価し、神経再生を促進する最適刺激条件の解明を目指しています。
本研究成果は、神経再生医療、脳・神経疾患研究、バイオメカニクス分野への応用に加え、将来的な再生医療用培養システムの高機能化にもつながることが期待されます。
衝撃圧力負荷による神経血管ユニット応答の解明
交通事故やスポーツ外傷、爆傷などによる頭部外傷では、脳組織に瞬間的な衝撃圧力が作用し、神経細胞や血管系にさまざまな障害を引き起こします。近年では、脳機能障害の発症には神経細胞単独ではなく、「神経血管ユニット（Neurovascular Unit: NVU）」と呼ばれる神経細胞、アストロサイト、血管内皮細胞などの相互作用が重要であることが注目されています。
本研究では、衝撃圧力負荷装置を用いて培養細胞に瞬間的な圧力刺激を与え、神経血管ユニットを構成する細胞群の応答を解析しています。特に、脳内炎症や血液脳関門機能に深く関与するアストロサイトに着目し、衝撃圧力による細胞形態変化、炎症性サイトカイン産生、細胞死、力学特性変化などを評価しています。
さらに、神経細胞－アストロサイト－血管内皮細胞間の相互作用を解析することで、外傷後に生じる遅発性脳障害や慢性炎症のメカニズム解明を目指しています。本研究成果は、頭部外傷の病態理解に加え、脳損傷の予防・診断・治療法開発への応用が期待されます。
深層学習による神経細胞軸索の自動定量解析技術の開発
神経細胞の軸索は神経情報の伝達を担う重要な構造であり、外傷や疾患による損傷評価、再生過程の解析において重要な指標となります。しかし、顕微鏡画像から軸索の長さや分岐数、損傷部位などを定量評価する作業は、多くの場合、研究者による手作業に依存しており、膨大な時間と労力を必要とします。
本研究では、深層学習技術を導入し、神経細胞画像から軸索を自動的に抽出・認識する解析システムの開発を進めています。大量の神経細胞画像を学習データとして利用することで、軸索の伸長、分岐、損傷状態を高精度かつ高速に定量評価することを目指しています。
開発したシステムは、外傷性脳損傷モデルにおける軸索損傷解析や、電気刺激・機械刺激による神経再生効果の評価に活用されます。また、従来は研究者の経験に依存していた画像解析を自動化することで、解析の客観性と再現性を向上させるとともに、大規模データ解析による新たな知見の発見を可能にします。
将来的には、神経損傷評価の標準化や創薬スクリーニング、再生医療研究への応用を通じて、神経疾患の診断・治療技術の発展に貢献することが期待されます。
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