RIES

Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University

北海道大学
電子科学研究所

LAST UPDATE 2020/11/09

  • 研究者氏名
    Researcher Name

    三上秀治　Hideharu MIKAMI
    教授　Professor

  • 所属
    Professional Affiliation

    北海道大学電子科学研究所
    Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University

    生命科学研究部門　光情報生命科学研究分野
    Laboratory of Information Biophotonics, Division of Biology and Life Sciences

  • 研究キーワード
    Research Keywords

    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
    High-speed bio-imaging
    Large-scale 3D fluorescence imaging
    Image data analysis of biological tissues using deep learning
    Optogenetic control of living organisms by lightwave engineering
研究テーマ
Research Subject
光技術・情報技術の融合による生体への高速光アクセス技術開発
High-speed optical access to biological tissues by the integration of optics and informatics

研究の背景 Background

光は古くから生体試料を観察したり操作したりするための有用な手段であり、特に21世紀に入ってからは蛍光タンパク質や光応答性タンパク質を操る技術の発展に伴ってますますその重要性を増しています。近年、生体試料へのアクセスは高次元化（古典的な2次元から3次元、さらに時間次元を加えた4次元）とともに扱うデータ量が飛躍的に増大しており、利用可能なデバイスや計算機の性能限界により、生体試料から取得される情報量が頭打ちになりつつあります。このため、より「スマート」に生体試料にアクセスする光技術が強く求められています。

Light has long been a useful tool for observing and manipulating biological samples, and especially in the 21st century, it has become increasingly important with the development of technologies for manipulating fluorescent and photoresponsive proteins. In recent years, the amount of data handled has increased dramatically along with the increase in dimensionality of the data have brought the amount of information acquired from biological samples to a standstill. In order to overcome this situation, there is a strong need for "smart" optical technology that can more efficiently access biological samples and acquire the desired information.

研究の目標 Outcome

私たちは、高速イメージングや光波制御などの光技術と、光により媒介される情報を処理する情報技術を一体としてとらえ、光・情報融合技術を開拓することで上記の課題にアプローチします。具体的には、情報理論的なイメージング速度と感度の限界を追究する、所望の情報に特化した「不完全」な光学画像から情報を抽出する、光学的撮像と光操作を一体制御する手法の開発等を通して、従来はとらえることが困難であった生命現象に光を当て、次世代の生命科学を開拓することを目指します。

We approach the above issues by integrating optical technologies and information technologies. Specifically, we aims to shed light to unexplored life phenomena by exploring the limits of information-theoretic imaging speed and sensitivity, extracting information from imperfect optical images specialized for desired information, and developing methods to control optical imaging and optical manipulation in an integrated manner.

研究図Research Figure

Fig.1. High-speed 3D fluorescence microscope that has volume rates over 100 volumes/sec.

Fig.2. Volumetric image of neurons of Caenorhabditis elegans that express Yellow Cameleon 2.60.

文献 / Publications

Lab on a Chip 20, 3074-3090 (2020). Nature Communications 11, 3452 (2020). Lab on a Chip 20, 2263-2273 (2020). Nature Communications 11, 1162 (2020). Nature Protocols 14, 2370–2415 (2019). Cell 175(1), 266-276.e13 (2018). Chem 4(10), 2278-2300 (2018). Biomed. Opt. Express 9(7), 3424-3433 (2018). Optica 5(2) 117-126 (2018).

研究者HP