私たちの究極のゴールは、最先端光技術・情報技術の創出を通じて生命科学に革命的な進展をもたらすことです。

三上はこれまでに光物理・光工学を軸に産業界・アカデミアの両方でさまざまな分野を渡り歩いてきました。研究のキーワードおよび興味の中心は「光」「情報」「生命」で、研究室名もこれらをつなげた「光情報生命科学研究分野」と名付けました。光技術を強みとしつつ、これらの分野にまたがる異分野融合の研究を展開していきます。さらに、研究成果の実用化・事業化を常に狙い、社会に還元することも目指しています。

研究室の4つの方針

​具体的な研究トピック

最近の研究:超高速蛍光イメージングとその応用

生体試料の観察に欠かせない蛍光イメージング(蛍光顕微鏡)の撮像速度を極限まで高速化し、膨大な量の情報を生体試料から取得、解析する技術の開発を行っています。多量のデータから無駄なく情報を引き出すためにAIをはじめとする機械学習の手法を取り入れ、人間の目を介さずにデータを分析します。撮像にあたっては通常の蛍光色素のほか、神経活動等の機能的イメージングが可能な蛍光タンパク質を活用します。さらに、光遺伝学も取り入れ、私たちの得意な光波制御技術と組み合わせて活用します。

超高速3D蛍光イメージング

前人未踏の1000ボリューム/秒 を目指してJST さきがけで鋭意研究中。当研究室の研究展開の起点となる重要なプロジェクトです。Coming soon...

超高速レーザー走査共焦点蛍光顕微鏡

生体試料の観察に欠かせないレーザー走査共焦点蛍光顕微鏡を、情報通信技術を応用して従来よりも圧倒的に高速化する技術を開発しました。周波数分割多重、直角位相振幅変調(QAM)など、通信業界でおなじみの技術をバイオイメージングに適用しました。撮像速度は発表当時世界最速の32,000フレーム/秒、104ボリューム/秒を達成しています。あまりに高速のため、蛍光寿命の測定も可能になりました。実用化に向けた小型実装も報告しています。関連特許を4件出願し、2件が成立済みです。

論文

Optica 5(2), 117-126 (2018). 蛍光寿命限界を突破した超高速共焦点蛍光顕微鏡。当時世界最速の16,000fps, 104vpsを達成

Optics Letters 44(3), 467-470 (2019). 小型実装

Optics Letters 45(8), 2339-2342 (2020).​​​ 励起ビームパターンの一般化によるさらなる性能向上(32,000 fps)

​イメージングフローサイトメトリー

大量の細胞集団を短時間で解析するイメージングフローサイトメトリー法を開発してきました。上記の超高速レーザー走査共焦点蛍光顕微鏡の応用により世界最高のスループットでの蛍光撮像が可能であることを示したほか、超高感度・高スループットな手法であるVirtual-Freezing Fluorescence Imaging (VIFFI) フローサイトメトリー法を開発し、毎秒10,000細胞/秒のスループットで顕微鏡グレードの蛍光撮像ができるようになりました。本手法は感度・速度を極限まで高めたという点において世界最高性能のイメージングフローサイトメトリー法です。取得される画像をAIを用いて解析し、高精度な細胞種の分類など可能であることも示しました。

論文

Nature Communications 11, 1162 (2020). VIFFIフローサイトメトリー

OSA Continuum 3(3), 430-440 (2020). 微小藻類の分類への応用

Optica 5(2) 117-126 (2018). 超高速共焦点顕微鏡を応用したイメージングフローサイトメトリー

Biomedical Optics Express 9(7), 3424-3433 (2018). ライトシート照明による高速化

Nature Protocols 13, 1603-1631 (2018). タイムストレッチ顕微鏡のプロトコル論文

Chem 4(10), 2278-2300 (2018). 高速イメージングによる1細胞解析のレビュー論文

インテリジェント画像活性細胞選抜法

上記のイメージングフローサイトメトリー法で得られる細胞画像をもとに、所望の細胞をリアルタイムに選別(分取)するインテリジェント画像活性細胞選抜法を開発してきました。本手法の開発は画像解析、マイクロ流体工学、機械工学、電気工学などさまざまな分野の専門家が結集して行われたものであり、論文の著者数が50名を超えることもある大規模な研究です。三上は本手法の肝である高速蛍光撮像技術の提供および画像解析部分の開発に主に貢献しました。

論文

Cell 175(1), 266-276.e13 (2018). 世界初のインテリジェント画像活性細胞選抜法の報告

Nature Protocols 14, 2370–2415 (2019). インテリジェント画像活性細胞選抜法のプロトコル論文

Lab on a Chip 20, 2263-2273 (2020). VIFFIフローサイトメトリーの導入による大幅な性能向上

Nature Communications  11, 3452 (2020). ラマン画像活性細胞選抜法

過去の研究

過去には​バイオイメージング(多光子顕微鏡、CARS顕微鏡)も含めて非常に様々な分野で研究を行ってきました。これらの研究で得た技術や知識、ノウハウが現在も活かされてします。当研究室ではこれらの過去のプロジェクトにさらに磨きをかけた現代版を行うことも計画しています。

in vivo 皮膚観察向け二光子/SHG顕微鏡@University of California, Irvine

皮膚の状態をin vivoでとらえ、将来の診断手法として期待されている二光子/SHG顕微鏡の高性能化に関する研究を行ってきました。レンズ光学系の徹底した設計により、皮膚観察に適した小型サイズで広視野(~0.8 mm × 0.8 mm)性能と高速性能(0.8フレーム/秒)を実現しました。関連特許1件が米国で成立済みです。

論文

Biomedical Optics Express 7(11), 4375-4387 (2016).

1細胞解析向けコヒーレントアンチストークスラマン顕微鏡 @日立製作所 中央研究所

生体から無標識で豊富な分子種の情報を取得するコヒーレントアンチストークスラマン(CARS)顕微鏡の実用化に向けた開発を行ってきました。従来は大型の光学テーブルを要したCARS顕微鏡の光源部分を手のひらサイズに実装することに成功し、実用化に道筋をつけました。また、大規模なCARS信号から高速に分子密度を定量する計算手法を数学的考察をもとに開発しました。関連特許3件が成立済みです。

​論文

Optics Express 23(13), 17217 (2015).

Optics Express 23(4), 5300 (2015).

Optics Express 23(3), 2872 (2015).

​コヒーレント光ディスク技術 @日立製作所 中央研究所

Blu-ray Disc以降の次世代大容量光ディスクの開発に向け、光通信分野から着想を得てコヒーレント光ディスク技術を開発してきました。当初はBlu-ray Discの記録層多層化にともなう再生信号S/N比低下の問題を解消するコヒーレント検出方式の実証を行い、その後コヒーレント検出方式を応用した新たな大容量・高速記録・再生方式(位相多値記録マイクロホログラム方式)の提案・実証を行いました。これらの技術を光通信デバイスに「逆輸入」する技術開発も行っていました。これら一連の研究で多数の特許を成立させました。

論文

Jpn. J. Appl. Phys. 52, 09LD02 (2013).

Jpn. J. Appl. Phys. 51, 08JD01 (2012).

Jpn. J. Appl. Phys. 51, 08JA01 (2012).

Jpn. J. Appl. Phys. 51, 08JE01 (2012).

Jpn. J. Appl. Phys. 51, 08JB01 (2012).

Jpn. J. Appl. Phys. 50, 09ME01 (2011).

Proc. SPIE 77301D (2010).

Proc. SPIE 77300E (2010).

Proc. SPIE 75050H (2009).

Jpn. J. Appl. Phys. 48, 03A017 (2009).

Jpn. J. Appl. Phys. 48, 03A014 (2009).

Proc. SPIE 662005 (2007).

量子光学・量子情報科学@東京大学

量子コンピューティングや量子情報通信の鍵となる「もつれ合い状態」にある光子の生成方法や、量子情報処理への方法を研究してきました。代表的な成果として、レーザー発振や超解像顕微鏡の原理としても知られる光の誘導放出を利用し、3光子もつれ合い状態の一種をそれまでの40倍以上の効率で生成する方法を提案・実証しました。また、4つの光子からなるもつれ合い状態を用いてremote state preparationと呼ばれる量子情報処理が可能であることを実験で実証しました。その他、さまざまな多光子もつれ合い状態の生成方法、量子テレクローニングと呼ばれる量子情報処理の実装方法などを提案しました。

​論文

Phys. Rev. A 75, 022325 (2007).​

Phys. Rev. Lett. 95, 150404 (2005).

Phys. Rev. A 72, 063801 (2005).

Phys. Rev. A 70, 052308 (2004).

 

​研究内容

を極限的に利用する

光を熟知し、自在に操れることが当研究室の最大の強みです。これは、三上が量子光学、光メモリ、光通信、ラマン分光、非線形光学顕微鏡、高速イメージングなどの様々な分野を渡り歩いて獲得したものです。この強みを極限まで尖らせ、光の持つ可能性を、生命科学という舞台で追究していきます。

プロコン

情報を見極め、引き出す

私たちの研究は、生命から未知の情報を得るための活動です。このため、真に必要な情報が何であるかを見極め、個々の目的に沿ったスマートなデータ処理・解析技術と計測技術を創り、これまでアクセスできなかった生体の情報を引き出すことを可能にします。情報を抽出するという観点で、近年発展の著しいAI技術も非常に有用であり、積極的に取り込んでいきます。

生命の謎に光をあてる

私たちは独自開発した光情報技術(光計測技術、データ処理・解析技術を総称してこのように呼びます)を用いて、生命科学の様々な場面に残る謎を解き明かしていきます。このために、研究室内のみならず、外部の共同研究者との協働を積極的に行います。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

実用的な技術を創る

当研究室で開発する技術は、常に実用化を念頭に置いています。技術屋目線で生み出されたアイデアも、実用的な観点からブラッシュアップし、誰かが使ってくれることを念頭に技術を世に送り出していきます。企業との共同開発やベンチャー企業の設立による事業化も狙い、特許出願も積極的に行います。

〒001-0021 札幌市北区北二十一条西10丁目

北海道大学 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

Phone: 011-706-9362

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