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Nishikawa Jun

Faculty of Information Science and Technology　Bioengineering and Bioinformatics　BioengineeringAssociate Professor
Institute for Academic InnovationAssociate Professor

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．

Researcher basic information

■ Degree
  • 博士（工学）, 北海道大学
■ URL
researchmap URLホームページURL■ Various IDs
J-Global ID■ Research Keywords and Fields
Research Keyword
  • 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
Research Field
  • Informatics, Soft computing
  • Informatics, Life, health and medical informatics
  • Informatics, Statistical science
  • Life Science, Basic brain sciences
  • Life Science, Neuroscience-general
  • Life Science, Biomedical engineering
  • Life Science, Animal physiological chemistry, physiology and behavioral biology
  • Life Science, Biomaterials
  • Manufacturing Technology (Mechanical Engineering, Electrical and Electronic Engineering, Chemical Engineering), Control and system engineering
  • Nanotechnology/Materials, Analytical chemistry
  • Nanotechnology/Materials, Nano/micro-systems
  • Humanities & Social Sciences, Experimental psychology
■ Educational Organization

Career

■ Career
Career
  • Nov. 2013 - Present
    Hokkaido University, Graduate School of Information Science and Technology, 准教授
  • Dec. 2011 - Oct. 2013
    Hokkaido University, Graduate School of Information Science and Technology, 特任講師
  • Aug. 2011 - Nov. 2011
    Osaka University, Graduate School of Frontier Biosciences, 特任助教
  • Apr. 2011 - Jul. 2011
    RIKEN, 情動情報連携研究チーム, 基礎科学特別研究員
  • Apr. 2009 - Mar. 2011
    RIKEN, 生物言語研究チーム, 基礎科学特別研究員
  • Apr. 2004 - Mar. 2009
    RIKEN, 生物言語研究チーム, 研究員
Educational Background
  • Apr. 2001 - Mar. 2004, Hokkaido University, 工学研究科, 量子物理工学専攻 博士後期課程
  • Apr. 1999 - Mar. 2001, Hokkaido University, 工学研究科, 量子物理工学専攻 修士課程
  • Apr. 1995 - Mar. 1999, Hokkaido University, School of Engineering, Department of Applied Physics

Research activity information

■ Awards
  • Dec. 2020, 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
    須貝俊介;西川 淳;舘野 高
  • Oct. 2020, 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
    西川淳
  • 2010, 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
    西川 淳
  • 2009, 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
    西川 淳
  • 2008, 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
    西川淳
  • 2008, 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
    西川淳
■ Papers
■ Other Activities and Achievements
■ Syllabus
  • 神経制御工学特論, 2024年, 修士課程, 情報科学院
  • 生体制御工学特論, 2024年, 博士後期課程, 情報科学研究科
  • 神経制御工学特論, 2024年, 博士後期課程, 情報科学院
  • 生体医工学基礎, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 生体工学概論, 2024年, 学士課程, 工学部
  • データ解析, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 電気回路, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 生体情報工学実験Ⅰ, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 生体情報工学実験Ⅱ, 2024年, 学士課程, 工学部
  • 科学計測, 2024年, 学士課程, 工学部
■ Affiliated academic society
  • Society for Neuroscience
  • 日本神経科学学会
  • 日本神経回路学会
■ Research Themes
  • Development of tinnitus suppression method by controlling excitation-inhibition balance in auditory cortex using bidirectional BMI and optogenetics
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2022 - 31 Mar. 2025
    西川 淳
    本研究では，耳鳴りの生物学的実体の一つとして聴覚皮質における興奮-抑制バランスの崩壊を想定し，双方向BMIと光遺伝学を統合した興奮-抑制バランス制御による新規耳鳴り抑制法の開発を目指している．当初は光遺伝学による神経活動制御を実現するために，発光制御装置および光ファイバーシステムのセットアップを試みたが，所属機関の遺伝子組み換え実験施設の制約から光遺伝学を用いた神経活動制御系の確立を断念せざるを得なかったため，多点電気刺激系を新たに立ち上げ，これにより聴覚皮質の興奮-抑制バランス制御を目指すこととした．まず，サリチル酸ナトリウムを投与することによりマウス及びラットに耳鳴りを薬理的に誘発し，その状態を行動測定(GPIAS)によって評価した．同様に，音響暴露（116 dB SPL, 1h）による耳鳴りを誘発し，GPIASにより行動評価した．その結果，どちらにおいても16 kHz周辺において耳鳴り症状が確認できた．次に，マウス及びラットの聴覚皮質表面に多点表面電極を留置した上で，細孔から刺入型多点シリコン電極を刺入し，聴覚皮質から三次元的に神経活動を計測した．脳表面及び深部の神経活動の関係性を明らかにするために，多点表面電極から計測される神経応答と刺入型多点シリコン電極から計測される神経応答との相関係数を算出し，特に時間周波数解析を用いた解析を行った．その結果，特に高ガンマ帯において表面と深部の相関が高いことを見出した．さらに，多点電極から計測される高次元神経活動データから音刺激カテゴリを推定するデコーダーの開発を行い，ラット聴覚皮質の3次元的な神経活動から音刺激周波数をチャンスレベルより高い確率で推定できることを示した．以上の結果をベースにして，来年の研究へと繋げていく予定である．
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 23K24911
  • Development of tinnitus suppression method by controlling excitation-inhibition balance in auditory cortex using bidirectional BMI and optogenetics
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
    01 Apr. 2022 - 31 Mar. 2025
    西川 淳
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 22H03655
  • Development of flexible multi-electrode arrays that can sneak into brain tissue with minimal invasion
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
    Jul. 2021 - Mar. 2023
    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．
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory), Hokkaido University, Principal investigator, 21K19423
  • Development of Tinnitus Suppression Method by Multi-site Electric Stimulation in the Auditory Cortex
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    Apr. 2018 - Mar. 2021
    Nishikawa Jun
    The goal of this study was to elucidate the involvement of the auditory cortex in tinnitus in detail and to develop a novel tinnitus suppression method based on the brain stimulation methodology. Here, we adopted a flavin protein fluorescence imaging and multi-electrode array to record and analyze how the activity of neurons in each subfield and layer of the mouse auditory cortex changes related tinnitus. We revealed the excitatory-inhibitory balance were changed according to the condition of tinnitus. In addition, we developed new electrical and magnetic brain stimulation methods, and elicited neuronal responses which is almost identical to the auditory responses. We also showed such kind of brain stimulation elicit plastic changes in the auditory responses. These results provide the basic technology necessary for the development of a new tinnitus suppression method.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, Principal investigator, 18K07345
  • 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
    若手特別研究費
    Jul. 2019 - Mar. 2020
    西川淳
    北海道大学 大学院情報科学研究院
  • Feedback control of neural response dynamics by a closed-loop electrophysiological technique
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    Apr. 2015 - Mar. 2018
    Nishikawa Jun
    In this study, we proposed a novel method to control neural response characteristics in specific brain regions using closed-loop electrophysiology. First, we analyzed spectro-temporal receptive field (STRF) in each subfield and layer in the rodent auditory cortex (AC) by using flavoprotein fluorescence imaging and local field potential recording. Then, we revealed that STRF of each neuron in freely moving mouse AC were dynamically changed between two different behavioral contexts. Based on the obtained results, we inserted multichannel silicon electrodes which cover various auditory fields and layers, and we succeeded to construct a real-time closed-loop system that can stimulate through arbitrary channels according to the estimated STRFs from the neural recordings.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, Principal investigator, 15K01847
  • 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
    若手研究費
    Jul. 2014 - Mar. 2015
    西川淳
    北海道大学 大学院情報科学研究科, Principal investigator
  • 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
    研究助成
    Mar. 2014 - Feb. 2015
    西川 淳
    公益財団法人 大川情報通信基金, Principal investigator, Competitive research funding
  • 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
    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）
    Sep. 2013 - Mar. 2014
    西川 淳
    ノーステック財団, Principal investigator, Competitive research funding
  • 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
    研究助成 (A)
    Apr. 2013 - Mar. 2014
    西川 淳
    公益財団法人 立石科学技術振興財団, Principal investigator, Competitive research funding
  • マウスの超音波発声とその認知を司る神経機構の解明
    科学研究費補助金 挑戦的萌芽研究
    Apr. 2012 - Mar. 2014
    西川 淳
    文部科学省, Principal investigator, Competitive research funding
  • 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
    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）
    Apr. 2010 - Mar. 2012
    西川淳
    文部科学省, Principal investigator, Competitive research funding
  • 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
    基礎科学特別研究員研究費
    Apr. 2009 - Jul. 2011
    西川淳
    独立行政法人理化学研究所, Principal investigator, Competitive research funding
  • 音声時系列分節化を支える神経細胞集団の同期的活動
    科学研究費補助金 若手（Ｂ）
    Apr. 2008 - Mar. 2010
    西川淳
    文部科学省, Principal investigator, Competitive research funding
  • 複雑な時系列を産出する神経モジュール間の相互作用
    科学研究費補助金 若手（Ｂ）
    Apr. 2006 - Mar. 2008
    西川淳
    文部科学省, Principal investigator, Competitive research funding
  • The observation of neuronal activity corresponding to song action on songbird
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2007 - 2008
    FUKUDA Satoshi; NISHIKAWA Jun; KATOU Masaki; OKANOYA Kazuo
    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。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Young Scientists (B), The Institute of Physical and Chemical Research, 19700308