微小なダックビルバルブの製造と脳積水治療のための生体内試験 学術的背景 脳積水（Hydrocephalus）は、脳脊髄液（Cerebrospinal Fluid, CSF）の産生と吸収の不均衡により、頭蓋内に脳脊髄液が過剰に蓄積する複雑な病理状態です。脳脊髄液の蓄積は頭蓋内圧（Intracranial Pressure, ICP）の上昇を引き起こし、脳に損傷を与える可能性があります。現在、脳積水の標準的な治療法は、シャント（Shunt）を埋め込んで余分な脳脊髄液を腹腔に排出する方法です。しかし、シャントは長期的に使用すると故障率が高く、患者は何度も手術を受けてシャントを修理または交換する必要があります。シャントの故障の主な原因は、閉塞、感染、過剰排出または排出不足などです。そのため、より信頼...
ゼロ抵抗流体ステルス技術のブレークスルー 学術的背景 現代のマイクロ流体工学やナノエンジニアリングにおいて、ステルス特性（invisibility characteristics）は、侵入物体と周囲環境との間の干渉を排除し、無干渉の相互作用を確保するために極めて重要です。例えば、マイクロ流体チップ内での生体分子の輸送や、正確な薬物放出の制御において、ステルス特性は操作の精度と効率を大幅に向上させます。さらに、ステルス特性は流体力学におけるゼロ抵抗（hydrodynamic zero-drag）性能の実現にも重要な役割を果たし、世界的なエネルギー危機の緩和に寄与します。しかしながら、長年にわたり、ダランベールのパラドックス（d’alembert paradox）や未解決のナビエ-ストークス方程...
超高磁場動物MRIシステムの技術的更新 学術的背景 動物用磁気共鳴画像（MRI）システムは、臨床前研究において重要な地位を占めており、通常、従来の人間用MRIシステムよりも優れた画像性能を提供します。しかし、システムコンポーネントの多様性と統合デバッグの複雑さのため、これらのシステムの高性能を実現することは困難です。特に、超高磁場動物MRIシステムでは、極めて高い磁場強度と勾配磁場を生成する必要があり、同時に磁場の均一性と安定性を確保する必要があります。さらに、システムの設置、保守、デバッグにおいても、磁場シールド、機械的結合、熱管理など多くの側面を考慮する必要があります。市場にはすでにいくつかの商用動物MRIシステムが存在しますが、ハードウェア性能（超伝導磁石や勾配コイルなど）に関する最新...
学術的背景 電圧イメージング（voltage imaging）は、神経活動を研究するための強力な技術ですが、その有効性は低い信号対雑音比（SNR）によって制限されることが多いです。従来のノイズ除去方法、例えば行列分解は、ノイズと信号構造について厳密な仮定を課しますが、既存の深層学習アプローチは、電圧イメージングデータに固有の高速なダイナミクスと複雑な依存関係を完全に捉えることができませんでした。これらの問題を解決するために、本論文ではCellMincerという新しい自己教師あり深層学習手法を提案し、電圧イメージングデータセットのノイズ除去に特化しています。CellMincerは、短時間ウィンドウ内のスパースなピクセルセットをマスクして予測し、事前計算された時空間自己相関を組み合わせることで、...
学術的背景 デュシェンヌ型筋ジストロフィー（Duchenne Muscular Dystrophy, DMD）は遺伝性の筋疾患であり、日本で最も一般的な筋ジストロフィーのタイプです。DMDはX染色体上のdystrophin遺伝子の変異によって引き起こされ、筋線維内のdystrophinタンパク質の欠損または欠陥を引き起こします。これにより、筋線維膜の透過性の増加、カルシウムイオンの流入、活性酸素種（Reactive Oxygen Species, ROS）の生成、および細胞壊死といった一連の複雑な事象が引き起こされます。慢性的な筋変性は炎症細胞の持続的な蓄積を引き起こし、疾患の進行をさらに悪化させます。現在、DMDの診断は主に身体検査、家族歴、および実験室検査に基づいて行われており、マイクロ...
確率的構造化照明顕微鏡（S2IM）：スキャンレス超解像イメージング技術の研究報告 学術的背景 超解像顕微鏡の分野において、従来の構造化照明顕微鏡（Structured Illumination Microscopy, SIM）技術は、高解像度イメージングを実現するために精密な機械制御とマイクロメートルレベルの光学アライメントを必要とします。しかし、この技術は複雑なハードウェアと高精度の操作を要求し、眼科検査や天文観測、活性物質研究など、長い作動距離や非侵襲的イメージングが必要な環境での使用が制限されていました。これらの問題を解決するため、イタリア工科大学（Italian Institute of Technology）の研究チームは、新しい超解像イメージング手法である確率的構造化照明顕微鏡（...
学術的背景と問題提起 ミトコンドリアは真核細胞において重要な細胞小器官であり、細胞のエネルギー代謝、シグナル伝達、細胞の生存と死の調節に関与しています。ミトコンドリアの機能障害は、神経変性疾患、心血管疾患、糖尿病、がんなど多くの人間の疾患と関連しています。そのため、ミトコンドリアの動態を研究することは、その生物学的機能と疾患における役割を理解する上で重要です。しかし、従来の電子顕微鏡（EM）は非常に高い空間分解能を持っていますが、固定されたサンプルにしか適用できず、ミトコンドリアの動態を捉えることはできません。蛍光顕微鏡は生体サンプルの観察に使用できますが、特に3次元（3D）再構築や長時間のイメージングにおいて、光退色（photobleaching）の問題が定量分析の精度を大きく低下させてい...
大腸癌腫瘍微小環境の多モーダルイメージング研究：空間的異質性の解明 学術的背景 大腸癌（Colorectal Cancer, CRC）は、世界的にがん関連死亡の主要な原因の一つであり、その複雑性と異質性により治療と予後予測が非常に困難となっています。腫瘍微小環境（Tumor Microenvironment, TME）は、がんの進行、転移、治療反応において重要な役割を果たしており、特に細胞外マトリックス（Extracellular Matrix, ECM）中のコラーゲン（collagen）が腫瘍の病理生理学に大きな影響を与えています。しかし、従来の組織学、大腸内視鏡検査、分子スクリーニングなどの方法では、腫瘍組織の空間的複雑性、例えばがんプロテオーム、コラーゲン構造、細胞核分布の相互作用など...
デジタル細胞病理学における高速3Dイメージング：多カメラアレイスキャナー（MCAS） 学術的背景 光学顕微鏡は長年にわたり細胞病理学診断の標準的な手法として使用されてきました。しかし、従来の全スライドスキャナーは大面積のサンプルを自動的にイメージングしデジタル化できますが、速度が遅く、コストが高いため広く普及していません。特に細胞学サンプルの臨床診断では、サンプルが広範囲に分布し厚みがあるため、3Dイメージングが必要です。既存の全スライドスキャン技術では、厚いサンプルを処理するのに数時間を要し、臨床での応用が大きく制限されています。そのため、厚いサンプルを高速かつ効率的に3Dイメージングする技術の開発が細胞病理学分野の重要な課題となっています。 本論文では、この課題を解決するための新しい多カ...
学術的背景 三次元（3D）高解像度大容量イメージングは、生物医学分野における大きな課題の一つです。従来の二次元（2D）切片イメージングは、組織や細胞の平面形態学的情報を提供できますが、内部の三次元構造情報を包括的に示すことはできません。これは、がん診断や胚発生研究において重要です。従来の3D組織学的手法は、通常、数千枚の薄片を手動で切断し染色する必要があり、時間がかかり、労力も大きいです。さらに、異なる切片間の空間情報を復元するために、複雑な画像登録アルゴリズムが必要です。これらの問題を解決するために、近年、組織透明化技術やブロックフェイス連続切片断層撮影（BSST）技術など、さまざまな自動化された3D光学イメージング技術が登場しています。 しかし、既存の3Dイメージング技術にはいくつかの限...