The ultimate goal of our research is to revolutionize life sciences through the creation of cutting-edge photonics and informatics technologies.

Prof. Mikami has worked in various fields in both industry and academia with a focus on photonics. The keywords in his research are "light," "information," and "life," which are reflected in the name of the laboratory. We do interdisciplinary research that spans photonics, informatics, and life science. Also, we aim to explore practical applications and commercialize our technologies.

Four policies of the laboratory

Research topics

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).

 

Research

Make the most of light

The greatest strength of our laboratory is our proficiency in photonics, which has been acquired by studying in various fields such as quantum optics, optical memory, optical communications, Raman spectroscopy, nonlinear optical microscopy, and high-speed imaging. We will continue to pursue the possibilities of light in life sciences by sharpening our strengths to the extreme.

プロコン

Extract desired information

We inspect what information is genuinely needed and create smart data processing, data analysis, and measurement technologies, enabling us to extract previously inaccessible information from life. We are incorporating AI technology, which has been developing rapidly in recent years, into our work as a powerful approach to extract desired information from raw data.

Illuminate the secret of life

We employ our photonics and informatics technology to solve the mysteries that remain in life sciences. To this end, we will proactively collaborate with external collaborators as well as within the laboratory.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Create practical technologies

We develop new technologies with practical applications in mind. Even if we create an idea from a technical point of view, we brush it up from a practical point of view to make it a useful technology. We also aim to commercialize our technology through collaboration with companies or the establishment of startups. We are actively applying for patents.

Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University
Kita 21 Nishi 10, Kita-ku, Sapporo, 001-0021, Japan 
Phone: +81-11-706-9362

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