筑波大，神経細胞の構造を10倍の精度で3次元計測

筑波大学の研究グループは，神経細胞の微細構造を高速かつ高精度に3次元計測する技術を開発した（ニュースリリース）。

脳は一つの神経細胞，またはシナプス結合を基本単位として構成され，それらの形態や構成要素の変化が情報処理の基盤となっている。このような神経細胞の機能メカニズムを理解するため，近年では微細な領域での一分子の動きなどが観察対象となり，観察手法も，より高い時空間分解能が求められるようになった。

ところが，蛍光顕微鏡での観察に代表される，一分子に付加された蛍光標識を観察に使用する場合には，その化学的・物理的な特性の影響が大きく，凝集などによって観察対象となる分子の細胞内での正確な挙動を知ることができない場合が考えられる。

そこで研究グループでは，細胞の形態や化学伝達を直接解析するため，標識が不要かつ非破壊・非接触な計測法である光波散乱計測に着目し，神経細胞計測での実用化に取り組むことにした。

実験ではマウスの海馬由来の分散培養神経細胞を含む溶液をガラス基板の上に載せ，アルゴンレーザー光を照射して光波散乱計測を行なった。また，計測点を明確にするため，同じ試料についてレンズ結像による計測も同時に行なった。

明視野像用の光は試料全体に照射されるが，散乱計測用の光は計測点のみに照射される。そのため，神経細胞の明視野像中で計測点が明るく光り，それをレンズ結像することで位置を特定できる。

光波散乱計測自体は，結像レンズを用いず，計測点の回折パターンから元の形状を直接算出する。左右非対称な神経細胞解析に深層学習を導入し，既知の形状を基に計算したデータベースと実際の散乱パターンを比較することで形状推定ができる。これにより，１回光照射の散乱パターンから三次元断面形状を算出でき，短時間での計測が可能となった。

また，従来の光学顕微鏡は，レンズを使った結像に伴い，ニセの像（アーチファクト）が生じることが解像度を下げていたが，この手法にはそのようなことがない。そのため，2μm径の細胞で0.2μmの計測精度が実現できた。原理的には，細胞内部の小胞の位置や時間幅 1msで発せられる神経細胞の電気信号も計測可能。従来比で精度・計測時間ともに一桁向上した。

研究グループは，神経細胞は形状が比較的明確であるため，今回開発した手法の適用可能性が高く，脳の記憶メカニズムの解明などに貢献することが期待されるとしている。