軟組織の弾性非接触表征における光ファイバSagnac干渉計の可能性を探る 背景紹介 軟組織の機械特性は、現代医学や生物医学研究において重要な意義を持っています。軟組織の機械特性について深い理解を得ることは、その構造的完全性や潜在的な病理学的状態を評価する助けとなります。しかし、従来の組織機械特性の評価技術は、多くの場合、組織への直接接触を必要とし、これは患者に不快感を引き起こす可能性があります。特に眼科などの敏感な分野では問題が顕著です。加えて、直接接触は組織の汚染や検査結果に影響を与えるアーティファクトを引き起こす可能性があり、検査精度に悪影響を及ぼすことがあります。このため、軟組織機械特性の非接触測定法を開発することが課題となっています。 近年、光学技術に基づく非接触技術であるフーリエ領...
次世代の低コスト光コヒーレンストモグラフィー（OCT）システムの開発：視網膜イメージングの臨床応用を強化 学術的背景 光コヒーレンストモグラフィー（Optical Coherence Tomography, OCT）は、非侵襲的で高解像度の画像取得技術であり、特に視網膜疾患の診断において広く利用されています。しかしながら、商業用OCTシステムは非常に高価（4万ドルから15万ドル）であるため、資源が限られた地域ではその利用が制限されています。OCT技術の利用可能性を拡大するため、研究者たちは低コストOCTシステムの開発に取り組み、臨床現場（Point-of-Care）において高品質の視網膜イメージングを可能にすることを目指しています。本稿では、ハードウェア設計と画像処理アルゴリズムを改良するこ...
覚醒状態の固定されたマウス脳における神経形態動態の超解像イメージングの新展開：動的観測の実現 背景説明 神経科学研究の分野において、神経細胞の形態変化およびその機能的動態は、脳の情報処理やネットワーク可塑性を理解する鍵となる課題です。しかし、樹状突起スパイン（dendritic spines）、軸索終末（axonal boutons）、およびそれらを結ぶシナプス構造が動物の学習や行動適応に重要な役割を果たしているものの、これらの構造を生体内で動的に観察するのは依然として大きな挑戦となっています。従来の顕微鏡イメージング手法は解像度および撮影速度に制限があるため、神経細胞の微細構造に関する多くの研究が固定された組織や培養細胞のレベルにとどまっており、可塑的変化が自然な行動や生理状態とどのように...
単一分子の動的構造生物学：グラフェンベースのDNA–タンパク質相互作用観測技術の新たな突破口 背景説明 DNAとタンパク質間の複雑かつ巧妙な相互作用は、DNA複製、転写、修復などの基本的な生物学的機能で重要な役割を果たしています。しかし、この相互作用の詳細な動的メカニズムを観察することは困難であり、特に分子スケール（ナノメートルあるいはオングストロームレベル）の構造変化を理解することは非常に挑戦的です。従来の構造生物学技術であるX線結晶構造解析、核磁気共鳴（NMR）分光法、電子顕微鏡法は、高解像度を実現する一方で、サンプルを固定または処理する必要があり、生理学的条件下での分子運動の観察が困難でした。また、単一分子蛍光共鳴エネルギー移動法（smFRET, single-molecule flu...
単粒子冷凍電子顕微鏡における優先配向問題の克服：深層学習による革新的解決法 背景紹介 近年、単粒子冷凍電子顕微鏡（Single-Particle Cryo-EM）技術は、生体高分子を天然状態に近い条件下で原子分解能で解析できることから、構造生物学のコア技術として確立されました。しかし、実際の応用では、「優先配向」（Preferred Orientation）という技術的な壁に直面することが多いです。この問題の主な原因は、生体分子が冷凍電子顕微鏡のグリッド上で均等に分布せず、特定の方向のデータ収集が不十分になることです。この配向偏差は通常、試料調製プロセス中に分子が空気-水界面（Air-Water Interface, AWI）またはサポート膜-水界面との相互作用によって引き起こされます。 優...
単分子光学トラップ技術が小分子活性剤とPR65タンパク質の結合メカニズムを解明 学術背景 タンパク質ホスファターゼ2A（PP2A）は、重要な細胞シグナル調節酵素であり、その機能不全は多くのがんおよび慢性疾患（アルツハイマー病や慢性閉塞性肺疾患など）と密接に関連しています。そのため、PP2Aの再活性化はこれらの疾患に対する治療戦略として重要とされています。近年、小分子活性剤（SMAPs）が開発され、PP2Aの足場サブユニットPR65に直接結合し、その機能を回復させることが報告されています。しかし、PR65と小分子活性剤の結合メカニズムおよびタンパク質構造への影響は明確ではありません。この問題を解決するため、研究者たちは単分子光学トラップ技術（NOTs）と分子動力学シミュレーション（MD）を活用...
ヒト脳内のGABAA受容体構造の解明：画期的な研究 学術的背景 GABAA受容体（γ-アミノ酪酸A型受容体）は、脳内で最も重要な抑制性神経伝達物質受容体の一つであり、ニューロンの高速な抑制性シグナル伝達を調節しています。これらの受容体は、てんかん、不安、うつ病、不眠症などの疾患の治療における重要な薬物ターゲットであるだけでなく、麻酔薬の作用機序の研究にも広く利用されています。GABAA受容体は19種類の異なるサブユニットから構成され、五量体のリガンド作動性イオンチャネルを形成します。これまでの研究では、組換え発現やマウスモデルを用いてGABAA受容体の構造と機能の一部が明らかにされてきましたが、ヒト脳内の天然GABAA受容体のサブユニット組成と三次元構造は依然として不明でした。特に、ヒト脳内...
振動性経頭蓋電気刺激と光幻覚知覚の定量的特徴に関する研究 背景紹介 光幻覚（phosphene）とは、外部の視覚刺激がないにもかかわらず、光点を感知する現象です。この現象は、視覚神経科学や意識研究において重要な意義を持ちます。なぜなら、脳が神経活動と知覚内容をどのように結びつけるかを理解するのに役立つからです。過去の研究では、視覚皮質への直接的な電気刺激や経頭蓋磁気刺激（TMS）を適用することで光幻覚を誘発できることが示されています。近年、経頭蓋交流電気刺激（transcranial alternating current stimulation, TACS）も光幻覚を引き起こすことが証明されていますが、その背後にあるメカニズムはまだ明確ではありません。TACSは電場のリズミックな変化と極性...
外泌体を肺癌の精密診断のバイオマーカーとして 学術的背景 肺癌は、世界中のがん関連死亡の主要な原因の一つであり、特に非小細胞肺癌（NSCLC）と小細胞肺癌（SCLC）の早期診断と精密治療は依然として大きな課題を抱えています。従来の組織生検は肺癌診断の「ゴールドスタンダード」とされていますが、その侵襲性、時間のかかるプロセス、および高コストが早期診断における応用を制限しています。近年、液体生検（liquid biopsy）は非侵襲的な診断方法として注目を集めており、血液などの体液中の循環腫瘍細胞（CTCs）、循環腫瘍DNA（ctDNA）、および外泌体（extracellular vesicles, EVs）などのバイオマーカーを分析することで、肺癌の早期診断と精密治療に新たな可能性を提供してい...
霊長類網膜におけるミジェット神経節細胞受容野構築の計算モデル研究 学術的背景 霊長類網膜におけるミジェット経路（midget pathway）は、視覚システムにおける高空間分解能と色知覚の基盤である。この経路の重要な特徴の一つは、受容野の中心-周辺組織（center-surround organization）であり、受容野中心領域の反応が周辺領域の反応によって拮抗される。この現象は広く研究されているが、未解決の2つの重要な問題が残っている。まず、周辺領域の反応は主にまたは完全に水平細胞（horizontal cells）が光受容体（cones）に対して行う負のフィードバックによるものであり、これは一般的な「ガウス差分モデル」（difference of gaussians, DOG）が示唆...