2 (課程博士(和文))別紙42022 丕戸・篭父.

心 f恬縦 1、.学,、1f攻氏中.

",t11,1、 j1でノ第 153278 号

1旨尊斈女il

9月20日

関口寛人

岡田浩

安永弘樹

論文内容の要旨(博士)博 b1位沽倫文中,肺Wψ1櫛△み"能なマイクロ 1上D神絲ブローブ技術dX灘0(要旨 1,200字程度)

脳領域間や脳層間における神経細胞の関イ系陛を明らかにするため,光で神経細胞を制御可能な光遺伝学技術は強力なツールであり,窒化ガリウム発光デバイスを用いた工学分野七神経科・学分野との異分野融合による窒化物半導体の進歩と脳機能・医療の発達が期待される
その実現の鍵を握るのはマイクロ上ED神経ブローブである.マイクロLEDを集積化させた上で,脳内へと刺入できる構造の基盤技術の開発とと1メこ,脳内駆動時の温度上昇を把握することは生体応用寸る上での大きな課題である.そこで脳内へと剌入可能なマイクロ上EDを集積化させたマイクロ神経上EDブローブを作製Lた上で,脳内での温度 k昇を把握Lた上で動物実験による実証実験を行う,脳内埋込み可能なマイクロ1"EDブローブ技術の確立を目的ど「ナるはじめに,6個のマイクロ上EDと15個のネ叫鑑記録電極を集積LたマイクロLED村呼丕ブカー
ブを作製した.マウスの皮質組織からとFP信号の記鍔く{こ成功した.次に,皮質組織内の光分布をシミュレーションし,光出力によって光束川敷される〒転鑑細胞数を推定した.マイクロLE

Dの温度上昇はウォールフラグ効率と深い関連があることがわかった.そこで,マイクロ上EDの温度上昇(△T)の打ル制を目指した裏面A曾ミラー構造の導入をすることでウォールブラク効率向上を検討Lた

沙ごこ,作製LたマイクロLED神経ブローブ駆動時の脳内における発熱とその影碆を解析した.マイクロLEDの△Tは,周囲の環境に対応した放鼎Vくラメータを変化させることで決定した.脳内では大気中と比較して△Tが減少する一方,"齡狙織に触れるLEDブローブ面積が減少すると,和リ＼深度の変化により△Tが増加することが確認した.このことから,動物実験中に△T を事前に知ることは困難であることが示唆された.そこで,マイクロLEDoy電気特注の温度依存性を用いて,脳内温度モニタリングの可能性を検討Lた.そd莇告果,順方向電圧は温度に線形に依存することが確認Lた.得られたdv/dT (定電流駆動)またはdvdT (定電圧駆動)の値を用いて,空気中および脳内の時問に対する△Tを推定したところ,サーモク^ラフィの雀見測結果と・一致し,マイクロLEDを用いた脳内温度モニタリングによりマイクロ1、EDブローブ駆動時の温度上昇を評価可能とした

ChR2が発現されたマウスを用いてマイクロ上EDブローブと記録電極を刺入Lて局所フィールド電位(上FP)の記録実験を行った.そd哘告果,上ED駆動時の脳内の発翌W辺で以下になる条件下においてLFPを往見測することが確認できた.また, chR2が発現されてぃないマウスに対Lて同様の記録実験を行うことで,劃姉川敷や電気市瞬敷による反応でないことが明らかとなった.その結果,光出力が高いほど,光束唄敷による神経細胞1舌陛化が抑制される運転条件下で,光束瞬敷による神経細胞が活性化されることを確認した.マイクロLEDによる光刺激ヤ^

は,光遺伝学的な神経活動の制御に有効であることを実証Lた

別紙4

1 信果程博士(英文))Date of submission (month day, yeal')

DcparlmCΠ10n江CC11'icalal]d 1江CCI】'on】C

Hiroto sEKIGUCHIS1Ⅱdc"11D Nunlbcl

1Πlbrmalion ドng1ΠCCI'ing
へP】〕11CaⅡ1'、 nalnc

09 20th 2022

D153278

Hiroshi01くへDASUI〕eハ'1S01'S

HlrokiYasuna曾a

Abstract (Doctor)
Title ofThesis

BI'ain・hηPlantable Micl'OLED Neural pl'obe Tecl]n010gy

Approx.80O W0↑dsOptogenelics lechn010gy, in 、vhich neⅡ1'ons can be conl】'0Ⅱed by liσht、 is a po、Nelful tool forelucidalin旦 Ule l'elationsl]ip bel、¥een bl'ain 】'egions and bl'ain layel'S. Advances in gaⅡium n itl・ideSen]iconduct01's and thc developlnent of bl'ain んlnction and medicine al'e expccted thl'OUσh the nlsion
Of diff剖'cnt fields of engineel'ing and neuroscience usin旦σa11ium nitride liσ1〕t、cmitting devices. TheMicl'OLED neul'al probe is the key to lhe realization of lhe aboYe. The key to dle realizalion of u〕isIedln010旦ン
basictectecl〕n010gy
fo】'Micl"0【"EDSMicl"0【"EDS U〕at canand insel'ted
insel、ted
10 0どン1S1Slhele development
eve opment ofo asic〕no ogy o】'can bebe h〕te旦1'atedh〕tegrated andhlto the bl'ain、 as 、veⅡ as lhe undel'standinσ of the tempcl'aUⅡ'e in引'ease 、 hen dl'iven h〕to thebrain. The
PUI'pose of th is st11dy is to establish a Micl'OLED PI'obe tech11010σy tl〕at canbc ilnplanted in lhC 愉・ain
Fh'st、 thc MicroLED neul'al pl'obe 、vith 6 Micr0上EDs and 15 neul'al rec01'dinσ electl・odcs wasfabl'icated. LFp signalS いノⅨ'e successfU11y 】'ec01'ded fl'om moLlse c01'tical tissue. Next、 the nulnbel・ ofneul'ons oplicaⅡy sthn u lalcd by the liql]t output いノas estinlated by sim u latinσ U〕e li旦ht d istribulion i】]

11】e c01'tical tlssue. TI]e l'es【11ts sho、¥ed tl〕at the tempel'a111】'e rise of thc M icl'OLflD 、Yas c losely re laledto lhe 、vaⅡ Plug cfficiency、 Thel'ef01'e、 10 SUPPI'css lhc temP釧'alLlrc rise △T of Micl'OL王DS. a backside
Ag m in'or stl'UCれⅡ'e 、vas intl'oduced lo ilnpl'OYc the 、¥aH PIUσ efficienc>
Next. the heal gcnel'ation in the bl'ain dul、ing tl]e oP引'a{ion of tl〕e fabl'icated Micl・OLト}D neuralPI'obc and its effect 、¥el'e anal》zed. The telnP引'atul'e l'isC △T of u〕e Micl'OL1こD 圦ノas obtained byChanglng lhc heat disslpation pal'al]]etel、S C01'1'csponding to the ambient envil'onment. The tenlpera1山・e
1'ise △T in the bt'ain decl'eased compa】'ed to lhalin the ail', but as tl〕e al'ea of tl]e LED PI・obc toud〕inσ
the bl'ain lisS11e de引'eased、 thedepth of penetl'alion changed and △l incl'eased. This sU旦旦ests that it isdifficult to dctel'mine tl]e tempe】'at111'e l'ise △T in advance dul'inσ animal expe】'iments.1hel・efore、tl]epossibility of monit01"inq ten]P田'aturc in the brain 、vas examined usinσ the tempel'at1Ⅱ'e dependence
Of the electncal chal'acteristics of Micr01"flDS. As a result、 it 、vas confinned lhat the f01・、Yal・d voltaoe

depended lineal'1y on telnpel'aⅡ11'e. The obtained values of dv/dT (conslant cul'rent dl・ive) 01・ dvdT(constant Yoltage dnve)、vel'e used to estinlate the △T in ail" and in lhe bl'ain,

Local Field potenlial (LFP) 1'ec01'dings 、vel'e pe1イ01'med by insel'ting Micl'OLED PI・obes andrecordlng electl'odes into chR2・expl'essing n〕ice; 1"Fp was obsel'ved undeT conditions 、vh創・e tl〕c heatqenel'ated in u]e bl'ain dul'ing l"fD opel'ation 、vas less tl]aΠ 2 ゜C. LFP 、Yas also obS引'vcd underConditlonS 川、Yhlch chR2 、 as expl'essed in the bl'ain. TI〕e same l'ecording expel'iment was also
Conducted ln mice that did nol expl'ess chR2. and it 、vas confin]]ed that the response 、¥as not causedby then]1al 01' e lectl'ical stim ulation . The l'esU 11S confin]1ed lhat undel' the m an ipu lated conditions、 thehighel' the light output、 the m01'e ule ncul'ons 、 cre actiYated by u】e Hσht stimulation、 den〕onstt・atinq
that light stlmulation using M icl、OLEDs is effective in contl'0Ⅱin旦 neu】'al actiYity