基本情報

所属

• 情報科学研究院　生命人間情報科学部門　バイオエンジニアリング分野

職名

• 准教授

学位

• 博士（工学）（北海道大学）

ホームページURL

https://tt-lab.ist.hokudai.ac.jp/

J-Global ID

• 201101061369398054

プロフィール

• 脳の情報処理原理を知りたい．そのために微細加工技術を駆使し，神経活動及び神経伝達物質濃度を高密度に測定・制御することのできる次世代デバイスの開発に取り組んでいます．また，これを活用して，主に齧歯類の大脳皮質聴覚野の聴覚情報表現を明らかにする研究，様々な聴覚現象を支える神経活動を特定する研究，学習に伴う神経活動の変化とそのメカニズムを明らかにする研究，埋め込みデバイスによる神経活動制御を目指した研究などを進めています．計測した脳活動を数理モデル化し，背後に隠れる計算原理を解き明かそうとする研究も行っています．このように，ナノテクノロジーや数理科学を神経科学と統合することにより，神経科学分野でブレイクスルーを起こすとともに，将来的には神経疾患を抱える患者を救うことのできる新しい医療機器の開発へと繋げたい．

研究キーワード

• MEMS   微細加工技術   学習   オペラント条件付け   聴覚皮質   ブレインマシンインターフェイス   神経工学   神経科学   発声学習   コミュニケーション   言語進化   言語情報処理   複雑ネットワーク   複雑系   フラクタル   カオス   非線形動力学   計算論的神経科学   神経行動学   鳥の歌   包括脳ネットワーク   

研究分野

• 情報通信 / ソフトコンピューティング
• 情報通信 / 生命、健康、医療情報学
• 情報通信 / 統計科学
• ライフサイエンス / 基盤脳科学
• ライフサイエンス / 神経科学一般
• ライフサイエンス / 生体医工学
• ライフサイエンス / 動物生理化学、生理学、行動学
• ライフサイエンス / 生体材料学
• ものづくり技術（機械・電気電子・化学工学） / 制御、システム工学
• ナノテク・材料 / 分析化学
• ナノテク・材料 / ナノマイクロシステム
• 人文・社会 / 実験心理学

担当教育組織

•  学士課程　工学部
•  修士課程　情報科学院
•  博士課程　情報科学院

職歴

• 2013年11月 - 現在 北海道大学 大学院情報科学研究院 神経制御工学研究室 准教授
• 2011年12月 - 2013年10月 北海道大学 大学院情報科学研究科 生体計測工学研究室 特任講師
• 2011年08月 - 2011年11月 大阪大学 大学院生命機能研究科 マイクロシステム神経工学研究室 特任助教
• 2011年04月 - 2011年07月 独立行政法人理化学研究所 情動情報連携研究チーム 基礎科学特別研究員
• 2009年04月 - 2011年03月 独立行政法人理化学研究所 生物言語研究チーム 基礎科学特別研究員
• 2004年04月 - 2009年03月 独立行政法人理化学研究所 生物言語研究チーム 研究員

学歴

• 2001年04月 - 2004年03月   北海道大学   工学研究科   量子物理工学専攻 博士後期課程
• 1999年04月 - 2001年03月   北海道大学   工学研究科   量子物理工学専攻 修士課程
• 1995年04月 - 1999年03月   北海道大学   工学部   応用物理学科

所属学協会

• Society for Neuroscience   日本神経科学学会   日本神経回路学会   

研究活動情報

論文

• Developing a Frequency‐selective Piezoelectric Acoustic Sensor Sensitive to the Audible Frequency Range of Rodents

  Takumi Kuwano, Hiroki Kaneta, Jun Nishikawa, Kazuo Satoh, Shuichi Murakami, Takashi Tateno

  IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering 15 12 1816 - 1823 2020年12月 [査読有り]
   

  We have developed a piezoelectric acoustic sensor that responds to rodents' audible frequency range as a front-end device for a small hearing prosthesis system appropriate for animal experiments. The proposed piezoelectric transducer uses a biomimetic hearing mechanism that mimics bandpass-filtering functions realized biologically in the cochlear membranes and hair cells of rodents via a frequency-selective piezoelectric cantilever beam array that will be used to stimulate auditory neurons in future applications to humans. First, to examine the frequency selectivity and response sensitivity, a piezoelectric acoustic transducer having a cantilever array structure with multiple beams were designed, and the mechanical resonance properties of the sensor-device structure were analyzed using a numerical calculation method. Next, on the basis of the numerical results, we proposed a practical acoustic sensor design and sensor construction method using a multiple cantilever array structure and piezoelectric material. We built the sensor using standard microfabrication techniques and evaluated its piezoelectric properties in terms of sound sensitivity. Finally, we addressed future applications of an integrated system containing the proposed acoustic sensor, which could be combined with an electrical stimulation system and used as an auditory prosthesis system to compensate hearing losses in rodent models with hearing disorders and diseases. (c) 2020 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by Wiley Periodicals LLC.
• Numerical Analysis of Microcoil‐Induced Electric Fields and Evaluation of In vivo Magnetic Stimulation of the Mouse Brain

  Shunsuke Sugai, Hisaya Higuchi, Jun Nishikawa, Kazuo Satoh, Shuichi Murakami, Takashi Tateno

  IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering 15 11 1672 - 1680 2020年11月 [査読有り]
   

  Magnetic stimulation is widely used as a medical treatment for neurological diseases. A reduction in the size of magnetic stimulation devices is desirable, however, because the coils are relatively large compared with electrode stimulation devices. Furthermore, in transcranial magnetic stimulation, the exact magnetically evoked areas in the brain and the mechanisms of neural activation are largely unknown. This study aimed to develop a new implantable microcoil device that stimulates the brain locally, on the order of several tens of micrometers, as well as to understand the mechanisms of micromagnetic stimulation-induced neural activity. First, to investigate the effects of microcoil shape on neural activation, the induced electric fields of semicircular microcoils with different diameters were calculated numerically in a microcoil model using the standard finite element method. Next, on the basis of the obtained numerical results from the microcoil model with different diameters, we compared the spatial properties of the possible activated areas in neural tissue and examined the most effective microcoil shape for neural activation. Finally, we measured microcoil-evoked responses using autofluorescent flavoprotein imaging of the mouse brainin vivo, evaluated the validity of our proposed microcoil devices, and discussed possible future improvements for a chronic implant. (c) 2020 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by Wiley Periodicals LLC.
• Sound- and current-driven laminar profiles and their application method mimicking acoustic responses in the mouse auditory cortex in vivo

  Shuto Muramatsu, Masato Toda, Jun Nishikawa, Takashi Tateno

  Brain Research 1721 146312 - 146312 2019年10月 [査読有り]
  
• Laminar responses in the auditory cortex using a multielectrode array substrate for simultaneous stimulation and recording

  Sota Takahashi, Shuto Muramatsu, Jun Nishikawa, Kazuo Satoh, Shuichi Murakami, Takashi Tateno

  IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering 14 2 303 - 311 2019年02月 [査読有り]
  
• Flavoprotein fluorescence imaging-based electrode implantation for subfield-targeted chronic recording in the mouse auditory cortex

  Jun Nishikawa, Yuto Ohtaka, Yuishi Tachibana, Yasutaka Yanagawa, Hisayuki Osanai, Takeaki Haga, Takashi Tateno

  Journal of Neuroscience Methods 293 77 - 85 2018年01月01日 [査読有り][通常論文]
   

  Background Chronic neural recording in freely moving animals is important for understanding neural activities of cortical neurons associated with various behavioral contexts. In small animals such as mice, it has been difficult to implant recording electrodes into exact locations according to stereotactic coordinates, skull geometry, or the shape of blood vessels. The main reason for this difficulty is large individual differences in the exact location of the targeted brain area. New methods We propose a new electrode implantation procedure that is combined with transcranial flavoprotein fluorescence imaging. We demonstrate the effectiveness of this method in the auditory cortex (AC) of mice. Results Prior to electrode implantation, we executed transcranial flavoprotein fluorescence imaging in anesthetized mice and identified the exact location of AC subfields through the skull in each animal. Next, we surgically implanted a microdrive with a tungsten electrode into exactly the identified location. Finally, we recorded neural activity in freely moving conditions and evaluated the success rate of recording auditory responses. Comparison with existing method(s) These procedures dramatically improved the success rate of recording auditory responses from 21.1% without imaging to 100.0% with imaging. We also identified large individual differences in positional relationships between sound-driven response areas and the squamosal suture or blood vessels. Conclusions Combining chronic electrophysiology with transcranial flavoprotein fluorescence imaging before implantation enables the realization of reliable subfield-targeted neural recording from freely moving small animals.
• An Analysis of Nonlinear Dynamics underlying Neural Activity Related to Auditory Induction in the Rat Auditory Cortex

  M. Noto, J. Nishikawa, T. Tateno

  Neuroscience 318 58 - 83 2016年03月 [査読有り][通常論文]
   

  A sound interrupted by silence is perceived as discontinuous. However, when high-intensity noise is inserted during the silence, the missing sound may be perceptually restored and be heard as uninterrupted. This illusory phenomenon is called auditory induction. Recent electrophysiological studies have revealed that auditory induction is associated with the primary auditory cortex (A1). Although experimental evidence has been accumulating, the neural mechanisms underlying auditory induction in A1 neurons are poorly understood. To elucidate this, we used both experimental and computational approaches. First, using an optical imaging method, we characterized population responses across auditory cortical fields to sound and identified five subfields in rats. Next, we examined neural population activity related to auditory induction with high temporal and spatial resolution in the rat auditory cortex (AC), including the A1 and several other AC subfields. Our imaging results showed that tone-burst stimuli interrupted by a silent gap elicited early phasic responses to the first tone and similar or smaller responses to the second tone following the gap. In contrast, tone stimuli interrupted by broadband noise (BN), considered to cause auditory induction, considerably suppressed or eliminated responses to the tone following the noise. Additionally, tone-burst stimuli that were interrupted by notched noise centered at the tone frequency, which is considered to decrease the strength of auditory induction, partially restored the second responses from the suppression caused by BN. To phenomenologically mimic the neural population activity in the A1 and thus investigate the mechanisms underlying auditory induction, we constructed a computational model from the periphery through the AC, including a nonlinear dynamical system. The computational model successively reproduced some of the above-mentioned experimental results. Therefore, our results suggest that a nonlinear, self-exciting system is a key element for qualitatively reproducing A1 population activity and to understand the underlying mechanisms. (C) 2016 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.
• A CMOS IC-based multisite measuring system for stimulation and recording in neural preparations in vitro

  Takashi Tateno, Jun Nishikawa

  Frontiers in Neuroengineering 7 39  2014年10月10日 [査読有り][通常論文]
   

  In this report, we describe the system integration of a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) integrated circuit (IC) chip, capable of both stimulation and recording of neurons or neural tissues, to investigate electrical signal propagation within cellular networks in vitro. The overall system consisted of three major subunits: a 5.0 × 5.0 mm CMOS IC chip, a reconfigurable logic device (field-programmable gate array, FPGA), and a PC. To test the system, microelectrode arrays (MEAs) were used to extracellularly measure the activity of cultured rat cortical neurons and mouse cortical slices. The MEA had 64 bidirectional (stimulation and recording) electrodes. In addition, the CMOS IC chip was equipped with dedicated analog filters, amplification stages, and a stimulation buffer. Signals from the electrodes were sampled at 15.6 kHz with 16-bit resolution. The measured input-referred circuitry noise was 10.1 μ V root mean square (10 Hz to 100 kHz), which allowed reliable detection of neural signals ranging from several millivolts down to approximately 33 μ Vpp. Experiments were performed involving the stimulation of neurons with several spatiotemporal patterns and the recording of the triggered activity. An advantage over current MEAs, as demonstrated by our experiments, includes the ability to stimulate (voltage stimulation, 5-bit resolution) spatiotemporal patterns in arbitrary subsets of electrodes. Furthermore, the fast stimulation reset mechanism allowed us to record neuronal signals from a stimulating electrode around 3 ms after stimulation. We demonstrate that the system can be directly applied to, for example, auditory neural prostheses in conjunction with an acoustic sensor and a sound processing system.
• A hardware model of the auditory periphery to transduce acoustic signals into neural activity.

  Takashi Tateno, Jun Nishikawa, Nobuyoshi Tsuchioka, Hirofumi Shintaku, Satoyuki Kawano

  Frontiers in neuroengineering 6 12 - 12 2013年 [査読有り][通常論文]
   

  To improve the performance of cochlear implants, we have integrated a microdevice into a model of the auditory periphery with the goal of creating a microprocessor. We constructed an artificial peripheral auditory system using a hybrid model in which polyvinylidene difluoride was used as a piezoelectric sensor to convert mechanical stimuli into electric signals. To produce frequency selectivity, the slit on a stainless steel base plate was designed such that the local resonance frequency of the membrane over the slit reflected the transfer function. In the acoustic sensor, electric signals were generated based on the piezoelectric effect from local stress in the membrane. The electrodes on the resonating plate produced relatively large electric output signals. The signals were fed into a computer model that mimicked some functions of inner hair cells, inner hair cell-auditory nerve synapses, and auditory nerve fibers. In general, the responses of the model to pure-tone burst and complex stimuli accurately represented the discharge rates of high-spontaneous-rate auditory nerve fibers across a range of frequencies greater than 1 kHz and middle to high sound pressure levels. Thus, the model provides a tool to understand information processing in the peripheral auditory system and a basic design for connecting artificial acoustic sensors to the peripheral auditory nervous system. Finally, we discuss the need for stimulus control with an appropriate model of the auditory periphery based on auditory brainstem responses that were electrically evoked by different temporal pulse patterns with the same pulse number.
• Cantor coding of song sequence in the Bengalese finch HVC

  Jun Nishikawa, Kazuo Okanoya

  Advances in Cognitive Neurodynamics (III) 629 - 634 2012年 [査読有り][通常論文]
  
• Extracting State Transition Dynamics from Multiple Spike Trains Using Hidden Markov Models with Correlated Poisson Distribution

  Kentaro Katahira, Jun Nishikawa, Kazuo Okanoya, Masato Okada

  Neural Computation 22 9 2369 - 2389 2010年09月 [査読有り][通常論文]
   

  Neural activity is nonstationary and varies across time. Hidden Markov models (HMMs) have been used to track the state transition among quasi-stationary discrete neural states. Within this context, an independent Poisson model has been used for the output distribution of HMMs; hence, the model is incapable of tracking the change in correlation without modulating the firing rate. To achieve this, we applied a multivariate Poisson distribution with correlation terms for the output distribution of HMMs. We formulated a variational Bayes (VB) inference for the model. The VB could automatically determine the appropriate number of hidden states and correlation types while avoiding the overlearning problem. We developed an efficient algorithm for computing posteriors using the recursive relationship of a multivariate Poisson distribution. We demonstrated the performance of our method on synthetic data and real spike trains recorded from a songbird.
• 機能的ネットワークの可視化によって探る時系列処理を司る局所神経回路メカニズム

  西川淳

  生物物理 50 3 134 - 135 2010年 [査読有り][通常論文]
  
• 言語起源研究のためのモデル動物：ジュウシマツ

  西川淳, 高橋美樹, 加藤真樹, 岡ノ谷一夫

  生体の科学 61 1 30 - 40 2010年 [査読無し][通常論文]
  
• Automata on Fractal Sets Observed in Hybrid Dynamical Systems

  Jun Nishikawa, Kazutoshi Gohara

  International Journal of Bifurcation and Chaos 18 12 3665 - 3678 2008年12月 [査読有り][通常論文]
   

  We studied a hybrid dynamical system composed of a higher module with discrete dynamics and a lower module with continuous dynamics. Two typical examples of this system were investigated from the viewpoint of dynamical systems. One example is a nonfeedback system whose higher module stochastically switches inputs to the lower module. The dynamics was characterized by attractive and invariant fractal sets with hierarchical clusters addressed by input sequences. The other example is a feedback system whose higher module switches in response to the states of the lower module at regular intervals. This system converged into various switching attractors that correspond to infinite switching manifolds, which de. ne each feedback control rule at the switching point. We showed that the switching attractors in the feedback system are subsets of the fractal sets in the nonfeedback system. The feedback system can be considered an automaton that generates various sequences from the fractal set by choosing the typical switching manifold. We can control this system by adjusting the switching interval to determine the fractal set as a constraint and by adjusting the switching manifold to select the automaton from the fractal set. This mechanism might be the key to developing information processing that is neither too soft nor too rigid.
• Population coding of song element sequence in the Bengalese finch HVC

  Jun Nishikawa, Masato Okada, Kazuo Okanoya

  European Journal of Neuroscience 27 12 3273 - 3283 2008年06月 [査読有り][通常論文]
   

  Birdsong is a complex vocalization composed of various song elements organized according to sequential rules. Two alternative views exist that explain the neural representation of song element sequences in the songbird brain. The finding of sequential selective neurons supports the idea that the song element sequence is encoded in a chain of rigid selective neurons. Alternatively, song structure could be encoded in an ensemble of relatively broad selective neurons arranged in a distributed manner. Here we attempted to determine which neural representation actually occurs in the song system by recording neural responses to various stimuli and performing information-theoretic analysis on the data obtained. We recorded the neural responses to all possible element pairs of stimuli in the Bengalese finch brain nucleus high vocal centre (HVC). Our results showed that each neuron has broad but differential response properties to element sequences beyond the structure of self-generated song. To quantify the transmitted information by such a broadly tuned neural population, we calculated the time course of mutual information between auditory stimuli and neural activities. Confounded information, which represents the relationship between present and previous elements, increased significantly immediately after stimulus presentation. These results indicate that the song element sequence is encoded in a neural ensemble in the HVC via population coding. These findings give us a new encoding scheme for the song element sequence using a distributed neural representation rather than the chain model of rigid selective neurons.
• Anomaly of fractal dimensions observed in stochastically switched systems

  Jun Nishikawa, Kazutoshi Gohara

  Physical Review E 77 3 036210  2008年03月18日 [査読有り][通常論文]
   

  We studied an anomaly in fractal dimensions measured from the attractors of dynamical systems driven by stochastically switched inputs. We calculated the dimensions for different switching time lengths in two-dimensional linear dynamical systems, and found that changes in the dimensions due to the switching time length had a singular point when the system matrix had two different real eigenvalues. Using partial dimensions along each eigenvector, we explicitly derived a generalized dimension Dq and a multifractal spectrum f (α) to explain this anomalous property. The results from numerical calculations agreed well with those from analytical equations. We found that this anomaly is caused by linear independence, inhomogeneity of eigenvalues, and overlapping conditions. The mechanism for the anomaly could be identified for various inhomogeneous systems including nonlinear ones, and this reminded us of anomalies in some physical values observed in critical phenomena. © 2008 The American Physical Society.
• 小鳥の複雑な歌系列生成と学習を支える神経機構

  西川淳, 岡ノ谷一夫

  日本神経回路学会誌 14 2 79 - 93 Japanese Neural Network Society 2007年 [査読無し][通常論文]
   

  小鳥の歌は, 複数の歌要素が特定の規則に従って並べられた学習性の音声である. その複雑な時系列構造や発達過程の類似性などから, 小鳥はヒト言語の文法的側面を司る神経機構を探るための良い動物モデルとして盛んに研究されている. 本稿では, 小鳥の脳の解剖や局所破壊実験, 電気生理実験, 数理モデル研究について著者らの研究を交えて紹介し, 歌系列の生成と学習を司る神経機構の可能性について述べる. 最後に, 今後検討されるべき問題について議論する.
• 鳥のさえずりとヒトの言語: 共通性の生物学的基盤

  高橋美樹, 西川淳, 岡ノ谷一夫

  生物科学 59 2 77 - 84 日本生物科学者協会 2007年 [査読有り][通常論文]
  
• Dynamical neural representation of song syntax in Bengalese Finch: A model study

  Jun Nishikawa, Kazuo Okanoya

  Ornithological Science 5 1 95 - 103 2006年 [査読有り][通常論文]
   

  The Bengalese Finch Lonchura striata var. domestica has highly complex songs with element sequences similar in syntactic structure to that of human language. Because young learn songs by comparing their auditory memory of their father's songs to the auditory feedback of a self-generated song, it is important to understand the auditory neural representation of element sequences. We developed a spiking neural network model of the song-control nucleus HVC that changes the weight among connected neurons via spike-timing-dependent plasticity (STDP), a biologically plausible learning rule. In the model, the dynamics of neural population converged into a stable activity distribution after sufficient learning steps. The network activity differentiated element pairs included in the input sequence from those that were not. Linear input sequences had better fine response selectivity for typical pairs than random or syntax inputs. However, real HVC neurons of Bengalese Finch respond to a wider range of pair stimuli. Thus, the actual neural representation of Bengalese Finch may be more broadly distributed, possibly because of simple STDP and other additive parameters or components. From a theoretical viewpoint, one of the most reliable neural coding schemes, Cantor coding, is a distributed, sequential coding system using fractal properties. We hypothesize that Bengalese Finch learn their complex song element sequences via Cantor coding. © 2006, The Ornithological Society of Japan. All rights reserved.
• 小鳥の歌学習の神経回路は？

  西川淳, 岡ノ谷一夫

  Clinical Neuroscience 24 5 609 - 609 2006年 [査読無し][通常論文]
  
• 鳥の歌学習と誤差修正機構

  関義正, 西川淳

  生物の科学 遺伝 59 6 44 - 48 2005年 [査読無し][通常論文]
  
• Fractals in neurodynamics - from hybrid dynamical systems point of view

  Kazutoshi Gohara, Jun Nishikawa

  Artificial Life and Robotics 7 4 189 - 192 2004年 [査読有り][通常論文]
  
• Fractals in an electronic circuit driven by switching inputs

  J Nishikawa, K Gohara

  International Journal of Bifurcation and Chaos 12 4 827 - 834 2002年04月 [査読有り][通常論文]
   

  We have proposed a process of generating fractals not from the results of chaotic dynamics, but from the switching of ordinary differential equations. This paper experimentally and numerically analyzes the dynamics of an electronic circuit driven by stochastically switching inputs. The following two results are obtained. First, the dynamics is characterized by a set Gamma(C) of trajectories in the cylindrical phase space, where C is a set of initial states on the Poincare section. Gamma(C) and C are attractive and unique invariant fractal sets that satisfy specific equations. The second result is that the correlation dimension of C is in inverse proportion to the interval of the switching inputs. These two findings move beyond the conventional theory based on contraction maps. It should be noted that the set C is constructed by noncontraction maps.
• Correlation Dimension of Dissipative Continuous Dynamical Systems Stochastically Excited by Temporal Inputs

  K. Gohara, J. Nishikawa

  Emergent Nature, M. M. Novak(ed.), World Scientific 403 - 410 2002年 [査読有り][通常論文]
  

その他活動・業績

• 系列効果を生じるスパイク平均発火率の状態依存性 力学系モデルと実験的検証

  渡辺正, 郷原一寿, 宮下英三, 西川淳 神経化学 40 (2月3日) 315 -315 2001年09月01日 [査読無し][通常論文]
  

受賞

• 2020年12月 日本神経回路学会 優秀研究賞
   マイクロ磁気刺激におけるコイル誘導電場の数値解析と神経誘発応答に基づく評価 

  受賞者: 須貝俊介;西川 淳;舘野 高
• 2020年10月 第6回 北海道大学・部局横断シンポジウム ベストプレゼンテーション賞
   マウス聴覚皮質における耳鳴りの神経相関 

  受賞者: 西川淳
• 2010年 包括脳ネットワーク 若手優秀発表賞
   鳥類歌中枢HVCにおけるカントールコーディングのin vivoによる実験的検証 

  受賞者: 西川 淳
• 2009年 日本神経回路学会 研究賞
   鳥類歌制御神経核HVC局所回路における機能的ネットワーク 

  受賞者: 西川 淳
• 2008年 日本生物物理学会 若手奨励賞招待講演者
   多点同時記録によって抽出されたジュウシマツHVC局所回路における機能的ネットワーク 

  受賞者: 西川淳
• 2008年 日本神経回路学会 奨励賞
   小鳥の脳神経核HVCにおける歌要素系列の集団符号化 

  受賞者: 西川淳

共同研究・競争的資金等の研究課題

• 双方向型BMIと光遺伝学を統合した興奮-抑制バランス制御による耳鳴り抑制法の開発

  日本学術振興会：科学研究費助成事業 基盤研究(B)

  研究期間 : 2022年04月 -2025年03月 

  代表者 : 西川 淳
• 蠕動運動により脳組織へ低侵襲で潜り込むことができる柔軟な多点神経電極の開発

  日本学術振興会：科学研究費助成事業 挑戦的研究(萌芽)

  研究期間 : 2021年07月 -2023年03月 

  代表者 : 西川 淳

   

  本研究では，損傷をなるべく与えずに神経活動を長期に安定して計測することが困難であるという脳活動計測技術における重要な課題を解決するために，有機エレクトロニクスを用いたソフトアクチュエータ技術と微細加工を用いたMEMS技術を統合し，柔らかいまま電極自身の蠕動運動によって脳組織に潜り込んでいくことができる全く新しいタイプの多点電極の開発を目指している． １年目は，主に生理学実験の基礎的データの収集とソフトアクチュエータの材料選定および駆動特性評価実験を実施した．現時点までに行った実験の結果で，導電性高分子を用いたアクチュエータや，CNTを電極部に用いたソフトアクチュエータが有望であることが分かってきている．材料の検討は，柔軟材料上に塗布したアクチュエータ材料における，駆動電圧-変位量，駆動周波数-変位量，応答速度，耐久性能等について定量的に評価することにより実施した．特に，CNTを用いたソフトアクチュエータにおいて最大5 mm程度の運動を生じさせることが確認できた．さらに，これをベースにして複数のアクチュエータによる協調動作による蠕動運動を実現するために，選定した材料をインクジェットプリンティング等の方法を用いてパターニングして多数並べたデバイスを試作した．今後は，個々のチャンネルに様々な駆動電圧，駆動周波数，各チャンネルの位相遅れ，全体の時空間パターン等を印加し，その駆動動作をビデオカメラおよびレーザードップラー変位計を用いて計測し，駆動信号を最適化し，２年目の生理学実験による機能評価へと繋げていきたいと考えている．
• 聴覚皮質における多点電気刺激による耳鳴り抑制法の基盤技術開発

  日本学術振興会：科学研究費助成事業 基盤研究(C)

  研究期間 : 2018年04月 -2021年03月 

  代表者 : 西川 淳

   

  本研究の目的は，耳鳴りにおける聴覚皮質の関与を詳細に明らかにするとともに，多点電気刺激を用いた新規の耳鳴り抑制法を開発することである．そのために本研究では，フラビンタンパク質蛍光イメージングを用いてマウス聴覚皮質のサブ領域を同定し，それぞれのサブ領域に多点電極を刺入することによって各サブ領域および層から多点同時神経活動計測を実施し，各サブ領域および層の神経細胞の活動特性が耳鳴り状態に応じてどのように変化するか詳細に明らかにする．さらに，そこで得られた知見を踏まえて，聴覚皮質の各サブ領域および層に様々な多点電気刺激パターンを印加することにより，耳鳴り状態の聴覚皮質神経活動を，強制的に正常な状態へと導くための新規耳鳴り抑制法の開発を目指す．
  ２年目である2019年度は，1年目に確立した音響驚愕反射ギャッププレパルス抑制を用いたマウスの耳鳴りの行動評価系を用いて，サリチル酸ナトリウムおよび音響暴露操作よって生じる耳鳴りの神経相関を電気生理実験により検討した．その結果，耳鳴り判定に用いるギャップ音のオンセットとオフセットに対する応答比が耳鳴りとよく対応することを見出した．さらに，スパイク波形解析により興奮性細胞と抑制性細胞を分けたところ，耳鳴りに対応する応答の変化に違いが見られることを明らかにした．さらに，音刺激に対する神経応答を精度良く模擬することができる多点電気刺激のパラメータ推定法を提案した．
  こうした成果を活かすことにより，３年目に構築予定の多点電気刺激法による新規耳鳴り抑制法の開発を実現していく予定である．
• 長期安定な双方向型ブレイン-マシン-インターフェース実現のための基盤技術開発

  北海道大学 大学院情報科学研究院：若手特別研究費

  研究期間 : 2019年07月 -2020年03月 

  代表者 : 西川淳
• 閉ループ電気生理による神経活動ダイナミクスのフィードバック制御

  日本学術振興会：科学研究費助成事業 基盤研究(C)

  研究期間 : 2015年04月 -2018年03月 

  代表者 : 西川 淳

   

  本研究では，閉ループ電気生理を用いて特定の脳領域における神経応答特性を制御する新規手法を提案した．まず，フラビンタンパク質蛍光イメージングと局所電場電位計測を用いて齧歯類聴覚皮質における各サブ領域および層における時間周波数受容野(STRF)を体系的に調べた．特に，覚醒自由行動下のマウス聴覚皮質では，異なる２つの行動文脈においてSTRFの特性が動的に遷移することを明らかにした．得られた知見をもとに，各サブ領域および層にまたがる多点シリコン電極を刺入し，聴覚応答を計測しながらSTRFを実時間で推定し，その結果に応じて特定のチャンネルを多点電流刺激できるシステムを構築することに成功した．
• マイクロデバイスと制御工学を駆使した神経活動の精緻な制御： 神経制御工学の勃興

  北海道大学 大学院情報科学研究科：若手研究費

  研究期間 : 2014年07月 -2015年03月 

  代表者 : 西川淳
• 加齢に伴う聴覚機能低下を自律的に補償する人工聴覚スマートインプラントの研究

  公益財団法人 大川情報通信基金：研究助成

  研究期間 : 2014年03月 -2015年02月 

  代表者 : 西川 淳
• 加齢における聴覚の機能低下機構とその補償機器開発の基礎研究

  ノーステック財団：研究開発助成事業 若手研究人材・ネットワーク育成補助金（Talent補助金）

  研究期間 : 2013年09月 -2014年03月 

  代表者 : 西川 淳
• 聴覚中枢神経マイクロインプラントに応用する音情報神経符号化の基礎技術開発

  公益財団法人 立石科学技術振興財団：研究助成 (A)

  研究期間 : 2013年04月 -2014年03月 

  代表者 : 西川 淳
• マウスの超音波発声とその認知を司る神経機構の解明

  文部科学省：科学研究費補助金 挑戦的萌芽研究

  研究期間 : 2012年04月 -2014年03月 

  代表者 : 西川 淳
• 時系列信号によるコミュニケーションを司る神経情報表現の解明

  文部科学省：科学研究費補助金 新学術領域研究（伝達創成機構）（公募研究）

  研究期間 : 2010年04月 -2012年03月 

  代表者 : 西川淳
• 複雑な時系列処理を支える局所神経回路におけるネットワークダイナミクスの解明

  独立行政法人理化学研究所：基礎科学特別研究員研究費

  研究期間 : 2009年04月 -2011年07月 

  代表者 : 西川淳
• 音声時系列分節化を支える神経細胞集団の同期的活動

  文部科学省：科学研究費補助金 若手（Ｂ）

  研究期間 : 2008年04月 -2010年03月 

  代表者 : 西川淳
• 複雑な時系列を産出する神経モジュール間の相互作用

  文部科学省：科学研究費補助金 若手（Ｂ）

  研究期間 : 2006年04月 -2008年03月 

  代表者 : 西川淳
• 歌行動スイッチングに対応した神経活動パターンシフトの観察

  日本学術振興会：科学研究費助成事業

  研究期間 : 2007年 -2008年 

  代表者 : 福田 諭, 西川 淳, 加藤 真樹, 岡ノ谷 一夫

   

  本研究は、鳥類鳴禽類の歌生成システムにおける、大脳領域HVCの内在的なリズムと、その自発的神経細胞発火パターンが外部からの入力によりどのようにシフトするかを目的とした。自身の歌を外部スピーカーにより聞かせることにより、細胞内カルシウム濃度を上昇させる細胞と、下降させる2種類の細胞が観察された。自身の歌に対する聴覚応答の他に、何も聞かせていない状態においても細胞の自発的な活動が観察されており、聴覚応答に対して神経細胞の活動がシフトすることが確認された。

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