language
注意事項
当サイトの中国語、韓国語ページは、機械的な自動翻訳サービスを使用しています。
翻訳結果は自動翻訳を行う翻訳システムに依存します。場合によっては、不正確または意図しない翻訳となる可能性があります。
翻訳サービスを利用した結果について、一切を保証することはできません。
翻訳サービスを利用される場合は、自動翻訳が100%正確ではないことを理解の上で利用してください。

生命科学分野に情報通信技術を取り入れた画期的な研究
光を極限的に利用することで生命の謎に光をあてる

写真:博士(理学) 三上 秀治

電子科学研究所
生命科学研究部門  光情報生命科学研究分野・教授

博士(理学)三上 秀治

プロフィール

2006年、東京大学大学院 理学系研究科 物理学専攻 博士課程修了。(株)⽇⽴製作所 研究員(途中、カリフォルニア⼤学アーバイン校 客員研究員を兼任)、東京⼤学⼤学院理学系研究科化学専攻助教、JSTさきがけ研究者(兼任)を経て、2020年6⽉より北海道⼤学 電⼦科学研究所 教授。専門は光物理、光応用工学全般。量⼦光学・量⼦情報科学、光ディスク・光通信技術、⽣体観察向け光学顕微鏡(二光子、ラマン、蛍光等)の研究に従事。

情報通信技術を応用し世界最高速の撮像を実現

先生の研究分野について教えてください。

三上 生命科学の分野で利用されることが増えてきている高速バイオイメージング、大規模3D蛍光イメージング、深層学習による生体画像解析・情報抽出、光波エンジニアリングによる光遺伝学的生体制御などを主なテーマとしています。

私は、大学時代から実用的な研究をしたいと思っていて、東京大学大学院卒業後は(株)日立製作所の研究員として光通信や光ディスクなどの開発に携わっていました。その後、縁あって東京大学大学院に戻り、理学系研究科で生命科学分野の光技術と情報技術の研究に取り組みました。

生命科学や医療分野の研究では、細胞などの生体試料を高分解能で観察するための共焦点蛍光顕微鏡が不可欠です。しかし、従来のものは撮像速度が遅く、利用範囲に制限がありました。高精細に撮像すると速度が遅くなり、高速で撮像すると画像が粗くなるといったジレンマがありました。

その制約を乗り越えることに役立つと考えているのが、情報通信分野の技術です。2018年に開発した共焦点蛍光顕微鏡は、光通信や無線通信などで大容量データを高速処理するために活用されている「周波数分割多重」「直交振幅変調」と呼ばれる技術を用いて、撮像時間の大幅な短縮を実現。これにより、1秒あたり16,000フレームという世界最高速度で生体試料の観察像を取得することに成功しました(解説1)。

線虫の脳神経ネットワークを3D&リアルタイムで記録

現在の研究テーマはどのようなものですか。

博士(理学)三上 秀治

三上 2020年に北大の電子科学研究院に移り、新たな研究テーマに取り組んでいます。革新的な技術を開発して実用的な研究成果を世に送り出すという研究スタンスは変わらず、最先端光技術・情報技術の創出を通じて生命科学に革新的な進展をもたらすことを研究のゴールとしています。

現在は、従来よりも数10倍高速な、1,000ボリューム/秒の超高速3D蛍光顕微鏡技術の開発に取り組んでいます。本研究はJSTさきがけに採択され、活動する生物をリアルタイムかつ正確に記録し、神経活動をはじめとするさまざまな生命活動の組織・細胞レベルでの理解に貢献すると期待されています。当面は、線虫を観察対象として頭部神経ネットワークのリアルタイム観察に取り組みます。線虫は約200個の神経細胞からなる頭部神経ネットワーク(脳に相当)を持っているのですが、この脳神経の活動をすべてリアルタイムに記録することを目指しています(解説2)。

本研究でも、光技術や情報通信技術、AIなどを活用した手法を取り入れています。例えば、データ取得のプロセスに関する技術などです。

線虫の頭部神経ネットワークで観察する脳神経細胞は200個程度ですが、現在はそれを見るために毎秒500MBのデータを3D撮像しています。実際に必要とするデータは撮像するデータの0.04%に過ぎず、余分な処理エネルギーを消費していることになります。

これを回避するため、深層学習を利用して低解像度の画像から高解像度の画像を復元したり、撮像する際に必要なデータのみを選択的に扱うことで撮像時間の短縮やデータ処理の軽減を図るといった手法を考えています。私たちは、撮像速度の高速化にともなって爆発的に増大するデータ量を抑制する賢い撮像方法を備えた新しい蛍光顕微鏡を「スマート顕微鏡」と呼び、前人未到の1,000ボリューム/秒を実現したいと思っています。

異分野から生まれる新しい発想で実用的な技術を創る

今後の研究計画をどのように考えていますか。

博士(理学) 三上 秀治

三上 本研究室では4つの方針を掲げています。「光を極限的に利用する」「情報を見極め、引き出す」「生命の謎に光を当てる」「実用的な技術を創る」です。先述のように、最先端の光技術・情報技術を駆使して生命科学に技術革新を起こし、その成果を実用化・製品化して世に送り出すことを目指し、特に顕微鏡の分野では新しいビジネスにつながる可能性があるのではないかと期待しています。目的や用途に応じた特殊な顕微鏡は、医療やナノテクノロジーなどの専門的分野で需要があると感じています。

蛍光顕微鏡の撮像技術には、情報通信技術を用いた撮像や画像処理の他にも、対象への光の当て方や制御の仕方など工夫や改善の余地がたくさんあると考えられるので、他の研究機関や企業との共同研究・共同開発にも積極的に取り組みたいと思います。

生命科学と情報通信技術は異なる分野の技術と捉えられがちですが、実は互いに応用できる部分が多く、新たな発見が生まれる可能性が高い世界です。本研究室では、多様なバックグラウンドを持った研究者が刺激し合い、新しい発想を生み出す研究環境を築きたいと考えています。世の中をひっくり返すような研究がしたい、自分のアイディアを形にしたい、研究成果を実用化して社会に役立てたいと思っている学生・研究者の方々は、ぜひともチャレンジしていただきたいと思います。

解説

解説1:世界最速の共焦点蛍光顕微鏡の開発

周波数分割多重や直交振幅変調と呼ばれる技術を用いて、生体試料の別々の場所から出てくる蛍光信号をまとめて捉えることで、撮像時間を大幅に短縮。これにより、1秒あたり16,000フレームというきわめて高速度で生体試料の観察像を取得することに成功した。従来の共焦点蛍光顕微鏡は1秒に数フレーム~数10フレーム程度の画像を取得するのが一般的、従来よりも1000倍程度高速であると言える。本技術を応用して、水中を動きまわるユーグレナの3次元的な動きを、世界で初めて毎秒104コマという高速度(一般的なテレビ映像の毎秒60コマを上回る速度)で捉えることに成功した。

図

解説2:超高速3D蛍光顕微鏡による線虫の脳神経3D像

線虫(体長1mm程度のモデル生物)の頭部神経ネットワークを超高速3D蛍光顕微鏡で撮像。

図