本研究は、2光子ホログラフィック顕微鏡を用いて神経回路活動に関するデータを網羅的に解析し、神経回路活動の特徴を抽出することで、神経・精神疾患に対する薬剤の治療効果判定、およびバイオマーカーを構築することを目的とした。そこで、アデノ随伴ウイルス(AAV)を用い、カルシウム感受性蛍光タンパク質と光応答タンパク質を第一次体性感覚野の神経細胞へ導入することで、神経細胞活動の可視化と操作を可能とした。さらに抑制性神経細胞に赤色蛍光タンパク質を発現させることで、興奮性神経細胞と抑制性神経細胞の応答を区別した。この実験系を野生型マウスへ適応し、1つあるいは2つの神経細胞をホログラフィック光刺激して得られる神経細胞の機能応答を評価することで、局所神経回路活動を網羅的に解析した。その結果、抑制性神経細胞は、興奮性神経細胞の機能応答の強度を平均で約30%抑制できることが明らかとなった。このデータを利用し、前年度までに取得した2つの神経細胞の同時ホログラフィック光刺激による神経細胞の機能応答データを再解析することで、局所神経回路を構成する神経細胞の種類を予測できるようになった。特に、炎症性疼痛モデルマウスにおいて、これらの神経回路活動に関するデータを用いることで、痛み行動を担う重要な神経細胞を抽出できるニューラルネットワークの構築に成功し、その抽出された細胞の活動をホログラフィック顕微鏡で操作することで痛み行動の誘発に成功した。これにより、神経回路活動と動物行動との因果関係を検証するシステムを構築することができた。
また、神経細胞活動をより正確に把握するために、前年度に引き続き時間分解能が高いイメージング技術の開発も行った。そのために、AAVを用いてカルシウム感受性蛍光タンパク質を大脳皮質の神経細胞へ導入後、2光子顕微鏡により神経細胞の2次元位置情報を取得した。その後、画面内にある数10個の神経細胞に対してホログラフィック光刺激を行い、イメージングセンサーを用いて神経細胞活動を観察した。その結果、300μm四方の画角を200Hzで、最大時には約1000Hzという高時間分解能で神経細胞活動を計測することが可能となった。