【研究分野】生理学一般

【研究領域課題番号】15K15025 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光遺伝学 / 近赤外光駆動 / アップコンバージョン / ナノ粒子 / チャネルロドプシン / ニューロン / 脳機能操作 / オプトジェネティクス / 神経科学 / 近赤外光 / 光操作 / アニオンチャネルロドプシン / ナノ科学

【研究成果の概要】

光遺伝学（オプトジェネティクス）は、動物の狙った神経細胞に光感受性機能タンパク質を作らせ、光のオン・オフで神経細胞の活動を制御する革新技術です。近赤外光（波長、650-1450 nm）は、可視光に比べ組織透過性に優れ、体表から脳の中まで信号を送ることができます。しかし、この信号を受け取る仕組みが今までありませんでした。私たちは、可視光に高感度のチャネルロドプシンとランタニドナノ粒子（レアメタル元素からなる。近赤外光を吸収し、青、緑、赤などの可視光を発光する性質を持つ）を組み合わせ、近赤外光による神経細胞活動のオン・オフ制御に成功しました。本研究は、最先端のナノ科学と生命科学の融合の成果です。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】神経生理学・神経科学一般

【研究領域課題番号】25640007 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

神経科学 / 生理学 / 脳・神経 / ニューロン / シナプス

【研究成果の概要】

生きた動物個体の脳において、活動性の高い神経細胞に光を用いて自由に遺伝子導入できる技術を開発することが本研究の目的である。In vivoカルシウムイメージングによって同定された活動性の高いニューロンに、フェムト秒パルスレーザーを用いて細胞膜の光穿孔を行うことで、広い範囲（500ミクロン四方）に分布するニューロン一つ一つに独立に外来遺伝子を導入することを可能にする。これまでに、マウス個体脳において光穿孔を行うための条件検討を開始した。蛍光色素を脳内の細胞外領域に注入し、個々のニューロンの近傍で光照射を行い、細胞内に蛍光色素が取り込まれるかどうかで光穿孔を確認した。脳内の様々な深さにおいて、光穿孔に必要なレーザー強度、パルス幅、繰り返し頻度について検討を行った。皮質の表面近傍では光穿孔が可能であることは確認されたが、さらに深層のニューロンに光穿孔を行うための条件検討が必要であることが判明した。また、活動性の高いニューロンを同定するためのin vivoカルシウムイメージングの感度を向上させ、効率を高めるために、新規の高感度カルシウム感受性指示薬について、脳スライス標本およびマウス生体内でその特性を検討した。その結果、マウス生体内においても１発の活動電位で起こるカルシウム濃度変化を高いS/N比で検出するできることが確認された。さらに、活動性の高い神経細胞の活動を長期にわたって観察し、かつ、光による活動操作を行うために必要なカルシウムセンサータンパク質やチャネルロドプシンなどの分子を、光穿孔によって導入するためのプラスミドを作製した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2014-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】神経科学一般

【研究領域課題番号】24500394 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

大脳皮質 / ニューロン / 分化 / 遺伝子発現 / 大脳新皮質 / 発生・分化 / 脳・神経 / 神経科学 / 転写因子

【研究成果の概要】

知覚や随意運動などの高次の機能を担う大脳の新皮質は、発生の過程で神経幹細胞が経時的に異なるニューロンを生み出すことで６層の構造を形成する。本研究では大脳皮質の形成原理を理解するために、神経幹細胞からニューロンへの分化の過程で作動する遺伝子プログラムに焦点をあて、層特異的なニューロンの分化機構について解析を行った。まずマウスの大脳皮質において各層の神経前駆細胞に発現する遺伝子群を網羅的に同定し、これら遺伝子のニューロンの分化における機能について検証した。一連の解析により、大脳皮質の神経回路形成における層特異的遺伝子プログラムを介した樹状突起のパターニングおよび配置決定機構について明らかにした。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】神経・筋肉生理学

【研究領域課題番号】23800019 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2011

【配分額】1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)

【研究分野】神経・筋肉生理学

【研究領域課題番号】19680020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ニューロン / シナプス機能 / 脳・神経 / 神経科学 / 高性能レーザー

【研究成果の概要】

ケイジドGABAであるCDNI-GABAの2光子励起活性化法によって、シナプス前終末からのGABA放出によるGABA受容体シナプス電流とほぼ同じキネティックスをもつGABA受容体電流を得ることができ、その空間解像度は光軸に対しておよそ2μmであった。これを用いて、GABA受容体の3次元機能マッピングを行い、細胞体付近および細胞体近傍の樹状突起の膜上に沿ってGABA受容体のホットスポットが点在していること、GABA受容体のホットスポットがグルタミン酸受容体のホットスポットと異なること、軸索起始部においても機能的GABA受容体が存在することを明らかにした。また別のケイジドGABAであるDCAC-GABAとケイジドグルタミン酸CDNI-Gluとを併用する方法を開発した。この方法によって細胞体に存在する抑制性シナプスをケイジドGABAによる2光子励起法で刺激し過分極を誘発させると、ケイジドグルタミン酸を多数のシナプスで2光子刺激して誘発された大きな脱分極の細胞体への伝播を抑えて活動電位誘発を阻害できることを再現よく繰り返すことが出来るようになった。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2007 - 2010

【配分額】25,220千円 (直接経費: 19,400千円、間接経費: 5,820千円)

【研究分野】医用生体工学・生体材料学

【研究領域課題番号】17650129 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物・生体工学 / 神経科学 / 脳・神経 / 脳スライス / 器官培養 / 網膜 / ニューロン / 電極アレイ / 神経回路

【研究成果の概要】

研究計画最終年度となる平成19年度は、視覚系を構成する網膜と上丘試料の共培養条件確立に引き続き、培養細胞系の自発、誘発活動計測を実施し、成果のとりまとめを行った。視覚機能が十分発達したadultラットから採取した網膜試料を用いることにより、光刺激に対する応答が計測可能であることを確認したが、この時期の試料は培養系には適さないことが明らかになった。これに対し、新生ラットから採取した試料を利用することにより、網膜、上丘の共培養が可能となることを確かめた。網膜試料については神経節細胞からの自発電気活動が記録され、また上丘についても自発電気活動の発生が確認された。外部からの電気刺激によりこれらの活動が変化することが観測され、今後、大脳皮質視覚野を含めた共培養系に進む基礎的条件が確立された。また、異なる試料を1つの基板上で制御性よく共培養することを目指し、基板表面の微細加工手法の開発を進めた。基板上にアガロース薄膜を利用した細胞非接着性の領域と接着性のポリリジン塗布領域を設けることにより、複数の試料を同一基板上に配置することを可能にした。細胞接着領域の構築にはカオトロピック効果を利用する手法を開発し、これをインクジェット方式で位置制御することにより、多数の細胞培養ウェルを短時間に再現性よく製作する手法を確立した(電気学会論文誌Cに発表)。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】3,500千円 (直接経費: 3,500千円)

【研究分野】神経科学一般

【研究領域課題番号】17100004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

分子 / 細胞神経科学 / ニューロン / シナプス / 神経回路 / 神経発生 / 神経発達 / 神経再生 / 神経再建 / 姿勢 / 運動制御 / 神経科学 / シグナル伝達 / 生理学 / 脳・神経 / 逆行性シグナル / シナプス伝達調節 / カンナビノイド / シナプス伝達調整

【研究成果の概要】

脳内に存在するマリファナ類似物質(内因性カンナビノイド)はニューロンのシナプス後部から放出され、逆行性にシナプス前終末のカンナビノイドCB_1受容体に作用して、神経伝達物質放出の減少を引き起こす。本研究では、内因性カンナビノイドのシナプス伝達調節の機構とその脳機能における役割の解明を目指した。4年間の研究において、中枢シナプスにおける内因性カンナビノイドの生合成、放出、分解の分子機構をほぼ解明し、また、内因性カンナビノイド系の小脳運動学習への関与を証明するなど、当初の目的をほぼ達成することができた。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】105,560千円 (直接経費: 81,200千円、間接経費: 24,360千円)

【研究分野】病態医化学

【研究領域課題番号】12557016 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

膜電位 / 神経科学 / 生理学 / 脳・神経 / 電位感受性色素 / ニューロン

【研究成果の概要】

神経科学研究は、単一シナプス解明の段階を経て、今や多ニューロン間ネットワークの相互機能を解析する時代を迎えている。神経興奮が脳機能の源である以上、生化学者といえども脳研究を行う上で、電気現象を的確にとらえることが不可欠であるが、これまでの電気生理学は、急速に多分野に浸透していった遺伝子工学に比べ、明らかに特殊な領域であった。本研究は、生化学的見地から、定型的電気生理学を用いることなく、生体(細胞)電気信号を検知する非接触型電位計測プローブ(リモートセンサープローブ)を開発するとともに、電位感受性色素やイメージングシステムを組み合わせて、脳スライスの記録をし、従来の電気生理学的解析結果との比較対照を行うことにより、新しいニューロンの機能解析系を構築することを目的とする。
電気生理学的解析及び電位依存性色素の利用のためのシステムを構築するとともに、マウス海馬CA1,CA3におけるLTP記録を行い、その薬理学的調節機構を明らかにした。一方、多電極記録法を用いた細胞外記録を行うために、マルチチャンネル細胞外記録システムによる海馬におけるLTP記録に成功した。
本研究に用いるシステムは機械(ロボット)化が可能であり、単に基礎医学にとどまらず、化合物の網羅的スクリーニング等、創薬、産業化にも貢献すると期待される。また、電位感受性色素を用いたシステムでは、単に細胞レベルの測定に留まらず、進歩したイメージングシステムを組み合わせることにより、例えば、脳内ニューロンの興奮の二次元的可視化が可能になり、多ニューロン間の相互作用の解析を行うことができると推察される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】13,500千円 (直接経費: 13,500千円)