【研究領域課題番号】20K15892 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シナプス / 超解像顕微鏡 / 神経科学 / 細胞生物学 / イメージング / 超解像技術

【研究成果の概要】

記憶や学習といった脳機能には、シナプスが新たに作られ、外部からの刺激によって可塑的に変化し、また数年以上もの長期にわたって維持されることが必要である。シナプスが変化する過程で、スパインの頭部体積の増減やシナプス小胞の増減に関連して軸索末端の形態変化が起こる。またスパイン頭部や軸索末端から微細な突起が伸びだす様子も知られており、両者が接触を介して複雑な情報交換をしていることが示唆される。シナプスとその近傍で起こる複雑な細胞間相互作用を明らかにし、その機能的な意義を生体で検証することは、記憶や学習といった脳機能を理解する上で重要な問題である。
本研究では、シナプスの可塑性と安定性に関わる分子メカニズムの解明を目指し、興奮性シナプスを構成する樹状突起スパインと軸索末端を従来の光学顕微鏡の限界を超えた分解能で同時にタイムラプス観察する基盤技術の確立を目的とする。さらに、より生体内に近い状態でのシナプスの形態と動態を高い分解能で観察することを目指す。これらにより、記憶・学習の細胞生物学的な構造基盤の理解を進める。
昨年度までに培養神経細胞のスパインと軸索末端を同時に高分解能で観察する基盤技術が確立されたので、令和3年度は生きた動物においてシナプス可塑性が起きたシナプスをナノスケールで形態情報を取得するための技術基盤の構築を優先的に進めた。新たに膨張顕微鏡法を導入し、この技術とこれまで開発を進めたスパインの三次元形態解析技術との組み合わせを行った。膨張顕微鏡法を用いることで、これまでより厚みのある標本でスパインの形態解析を実施することが可能になった。次に海馬錐体神経細胞を標識する遺伝子導入技術、アデノ随伴ウイルスによる標識または子宮内電気穿孔法による標識をそれぞれ試し、海馬CA1-CA3領域の錐体細胞を疎に標識する条件を見出し、膨張顕微鏡法によるスパイン形態解析を実施した。

【研究種目】若手研究

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)

【研究分野】基盤・社会脳科学

【研究領域課題番号】17K13270 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

蛍光イメージング / 神経可塑性 / Ca2+シグナリング / 光操作 / シナプス可塑性 / 神経機能 / カルシウムシグナル / リン酸化シグナル / 神経科学 / シグナル伝達 / イメージング

【研究成果の概要】

カルシニューリンは記憶・学習に重要な役割を果たしていますが、どうやってその機能を実現しているかを理解するためには、生きた神経細胞でその動きや酵素活性を「見える化」し、人為的に操作する手法が必要になります。本研究では、カルシニューリンとCaMKIIの動きを「見える化」し、以前申請者が開発した光刺激と酵素活性を計測する方法を改良し、より細かく速い応答を見えるようにしました。そして、人為的な光刺激によってシナプス構造が変化する際のカルシニューリンとCaMKIIの活性の相違を明らかにしました。この結果は、記憶や学習といった高次脳機能の基盤となるシグナリングのルールを理解するうえで重要なものとなります。

【研究の社会的意義】

本研究によって、生きた神経細胞のシナプスや樹状突起で、カルシニューリンの動きやその活性が時間とともに強くなったり弱くなっていく様子を動画として捉えることに成功し、世界に先駆けた成果が得られました。これは、記憶や学習といった高次脳機能のメカニズムを理解するうえ重要なものとなります。また、カルシニューリンは、高次脳機能をはじめ、免疫系や循環器系など全身における生理や病態に非常に重要な役割を果たしています。今後、本研究の手法を発展させることで、これら病態を細胞レベルで理解する道筋ができてゆくと考えられます。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2019-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】神経生理学・神経科学一般

【研究領域課題番号】26250003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】39,910千円 (直接経費: 30,700千円、間接経費: 9,210千円)

【研究分野】神経化学・神経薬理学

【研究領域課題番号】26830043 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Ca2+シグナル / シナプス可塑性 / シナプス / シグナル伝達 / 神経科学 / 生化学 / イメージング / Ca2+シグナリング / 蛍光プローブ / 顕微鏡 / 分子生物学

【研究成果の概要】

脳機能を理解するためには、複雑な脳の中での神経活動とそれによって活性化される生化学反応を計測し、演算を理解する必要がある。神経細胞での生化学演算を計測するために、本研究では非常にダイナミックレンジを改善した新型のCa2+依存的酵素に対するプローブを開発した。そして、これらのプローブを用いて、Ca2+依存的リン酸化酵素(CaMKII)と脱リン酸化酵素(カルシニューリン)の活性化の時空間的プロファイルを生きた神経細胞の樹状突起およびシナプスにおいて計測し、全く異なることが明らかになった。この成果は、神経細胞における生化学演算機構の一端を明らかにし、高次脳機能の理解につながるものと考えられる。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【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・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】神経化学・神経薬理学

【研究領域課題番号】23300136 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ＡＴＰ / グルタミン酸 / イメージング / アストロサイト / 神経科学 / 薬理学 / ATP

【研究成果の概要】

我々のATPイメージングが海馬などのスライスでも可能であるかどうか検討した結果、海馬スライスのみならず、大脳皮質でもATP放出を観察することができた。この放出は領域特異的であり、アストロサイトがATPを放出し神経回路を制御していることを示唆した。また、チャンネルや開口放出の阻害剤を用いた薬理学実験の結果、どの薬剤を用いても放出イベント数は減少しなかったことから、この放出は薬理学的に多様なものであること分かった。そこで複数の阻害剤を混合して添加したときのATP放出の変化を調べた結果、このATP放出は、開口放出でなくチャンネルからの放出が主要な放出機構であることが分かった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】19,890千円 (直接経費: 15,300千円、間接経費: 4,590千円)