Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

神経線維 / 樹状突起 / 軸索 / カルシウム / スパイン / 脳・神経 / 神経細胞 / イメージング / 神経科学

光学測定系を工夫・改善し、300個以上のシナプスから100 Hzという高速での撮影を可能にした。この革新的な新技術を用いて、
i）海馬CA3野樹状突起の回路演算様式を解析した結果、興奮性入力と抑制性入力のバランスが線維の局所では崩れていることを見出した。この結果はCell Report誌で発表した。
ii）経験によって一度活動したCA1野神経細胞は、上流のCA3野からの精密な軸索回路による特異的入力によって再活性化すること、また樹状突起イメージングを行うことで、この再活動そのものを繰り返すことによって再活性化する細胞セットの精度が高まることを発見した。この結果はScience誌に報告した。

シナプス / 学習・記憶 / ドーパミン / 大脳皮質 / 大脳基底核 / グルタミン酸 / 蛋白質合成 / 条件学習 / 精神症状 / D2受容体 / 記憶 / 光刺激 / 光プローブ / ２光子顕微鏡 / 蛍光プローブ / スパイン / カルシウム / 樹状突起スパイン / 学習

我々は強化増大した樹状突起スパインシナプスを特異的に標識するASプローブを構築し、運動学習が増強・新生スパインに依存することを操作的に証明し(Nature 2015)、ケタミンの抗うつ作用に前頭葉のスパイン新生が関与することを明らかにした(Science 2019)。同様な標識手法が軸索にも応用可能であり、増強スパインに入力するシナプス終末であることがわかってきた（未発表）。条件学習のドーパミン過程についてシナプスレべルではD1細胞のスパインが増強すること(Science 2014)、また、弁別学習の際にはD2細胞のスパインが増強し、それが弁別学習に関与することを明らかにしつつある(未発表)。

心を育む脳の働きは神経回路の電気化学的活動で起きると信じられている。しかし、学習するときには、これに加えて神経を繋ぐシナプスが運動することを我々は見出し、これが運動学習、うつ症状など個体レベルで使われていることを証明した(Nature 2015, Science 2019)。また、条件付け学習の際には、脳内報酬信号であるドーパミンは適切なタイミングで神経から放出されれば記憶を強く促す作用があることを明らかにした(Science 2014)。この個性的に運動する脳の描像は我々の個性や病気を理解する新しい鍵となるであろう。

神経科学 / 脳・神経 / 神経 / ニューロン / シナプス / スパイン / 樹状突起 / 回路 / イメージング / カルシウム

新規に開発した大規模スパインイメージング法を用いて、海馬ニューロンの樹状突起におけるシナプス入力の時空間パターンを観察することに成功した。興奮性ニューロンにおいては近傍のスパインが同時に活動していたことから、同期入力が樹状突起の局所に集約されていることが見いだされた。一方で、Parvalbumin陽性の抑制性ニューロンにおいては同期入力が分散型であることを見いだし、ニューロン種特異的なシナプス入力の空間制御が存在することを明らかにした。

中枢神経細胞 / 神経生理学 / 超短パルスレーザー / ケイジド試薬 / グルタミン酸 / 受容体 / 生理学 / 2光子励起顕微鏡 / スパイン / 高性能レーザー / カルシウム / イメージング

これまでケイジドグルタミン酸を2光子励起法で活性化する手法により、海馬錐体細胞において、機能的AMPA受容体発現とスパイン形態に強い相関があることを見出してきた。そこで本研究において、可塑性に重要な役割を果たすNMDA受容体の機能と、スパイン形態との間の関係性を調べることを行った。実験方法としては、海馬錐体細胞にホールセルを行い、低親和性カルシウム指示薬と、細胞形態を同定するためのAlexa594をロードした。これはカルシウム指示薬によるカルシウム動態の影響を少なくするためである。細胞外液のマグネシウム濃度を減らした状態で、任意のスパイン部位に対して、2光子励起によってケイジドグルタミン酸を活性化した。その結果誘発される単一スパインにおけるNMDA受容体を介したカルシウム濃度上昇を、2光子励起顕微鏡を用いて、高速ラインスキャンを行ってイメージングした。Alxa594の蛍光に対するカルシウム指示薬の蛍光比によってカルシウム濃度変化を捉えた。この方法によって、一定刺激の条件でのスパイン内カルシウム濃度変化の絶対値を求めることができるようになった。カルシウム濃度上昇は、レーザー出力の2乗に比例し、あるところで飽和することから、スパイン頭部のNMDA受容体を2光子励起法によるグルタミン酸投与によって刺激できることを実証した。また1.5マイクロメートル以上離れたスパイン間では互いに刺激が干渉せず、個々のスパインだけの反応を得られることがわかった。NMDA受容体電流及びカルシウム濃度上昇は、AMPA受容体に比べ、ノイズが高いため、同一スパインにおいて3回刺激し、それを平均化することでCVの低い値を得ることができた。

【研究分担者】
林朗子 (高木朗子)	東京大学	医学(系)研究科(研究院)	講師	(Kakenデータベース)

【研究協力者】
髙橋倫子
野口潤
柳下祥

【研究協力者】
喜多村和郎	東京大学	大学院・医学系研究科	准教授	(Kakenデータベース)
松尾直毅	京都大学	白眉センター	准教授	(Kakenデータベース)
狩野方伸	東京大学	大学院・医学系研究科	教授	(Kakenデータベース)
松木則夫	東京大学	大学院・薬学系研究科	教授	(Kakenデータベース)
池谷裕二	東京大学	大学院・薬学系研究科	准教授	(Kakenデータベース)